WO2012123054A1 - Drucksensor - Google Patents

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WO2012123054A1
WO2012123054A1 PCT/EP2012/000525 EP2012000525W WO2012123054A1 WO 2012123054 A1 WO2012123054 A1 WO 2012123054A1 EP 2012000525 W EP2012000525 W EP 2012000525W WO 2012123054 A1 WO2012123054 A1 WO 2012123054A1
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WO
WIPO (PCT)
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pressure sensor
membrane
electronic component
organic substance
sensor according
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2012/000525
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Peter POPPITZ
Paul Weatherstone
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased 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
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0654—Protection against aggressive medium in general against moisture or humidity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W70/00—Package substrates; Interposers; Redistribution layers [RDL]
    • H10W70/60—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers
    • H10W70/67—Insulating or insulated package substrates; Interposers; Redistribution layers characterised by their insulating layers or insulating parts
    • H10W70/68—Shapes or dispositions thereof
    • H10W70/681—Shapes or dispositions thereof comprising holes not having chips therein, e.g. for outgassing, underfilling or bond wire passage

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor comprising at least one variable in shape and / or size membrane and an electronic component, wherein at least one component of the electronic component is connected to the membrane such that upon application of an electrical voltage to the electronic component and change the shape and / or size of the membrane a change in a measurable in the component
  • the present invention relates to a motor vehicle having the pressure sensor according to the invention.
  • particulate filters which are used for the filtration of exhaust particles in motor vehicles, it is necessary to continuously the loading state of the particulate filter body with the
  • Particle filter is determined. The higher the pressure gradient, the higher the
  • a signal can be generated, which contains information about a necessary treatment or replacement of the particulate filter.
  • a pressure sensor to be used for this purpose comprises a so-called sensor chip with a membrane that changes in shape and / or size when there are pressure changes, and an electronic component, of which at least one component is connected to the membrane in such a way that upon installation an electrical voltage on the electronic component and change in the shape and / or size of the membrane, a change in a physical quantity measurable in the component is detectable.
  • the electronic component is connected by means of so-called bonding wires to the electronic periphery.
  • the membrane is often located in or at an opening of a two volume separating partition.
  • the pressure sensor can be designed such that it has at least on the side of the membrane on which the bonding wires are arranged, a gel layer which protects the membrane surface or the electronic component arranged there against deposits of exhaust particles or liquid or frozen Condensate and / or acid contained in the exhaust gas condensate is used.
  • the pressure sensor must in addition to the above stresses caused by frozen condensate or exhaust particles and acid also mechanical stress, in particular in the form of vibrations, and thermal stress with
  • the gel layer used to protect the chip therefore has a layer thickness of 1 mm to 3 mm. Nevertheless, it has been shown in continuous load tests as well as in practice that under certain circumstances, the life of the sensor may not be sufficient, which is due in particular to the problem of mechanical stress due to the freezing condensate, which may possibly cause obstruction or blocking of a pressure access.
  • the object is achieved by the pressure sensor according to claim 1.
  • a motor vehicle according to claim 10 which comprises the pressure sensor according to the invention.
  • a pressure sensor which comprises at least one variable in shape and / or size membrane and an electronic component, wherein at least one component of the electronic component is connected to the membrane such that upon application of an electrical voltage on electronic component and change in the shape and / or size of the membrane, a change in a physical quantity measurable in the component is detectable, and at least one side of the membrane is coated with a non-crosslinked organic substance.
  • a pressure sensor which has a so-called sensor chip with an integrated membrane.
  • the non-crosslinked organic substance coating is preferably on the side of the membrane
  • the pressure sensor forms a so-called sensor chip, in which the membrane is integrated, wherein the membrane is essentially configured by a two-dimensional surface area.
  • the pressure sensor according to the invention may be or be a differential pressure sensor
  • a differential pressure sensor measures the difference between two absolute pressures simultaneously applied to both sides of the sensor diaphragm.
  • the relative pressure sensor differs from the differential pressure sensor in that atmospheric pressure is applied as reference on one side of the sensor diaphragm.
  • the pressure sensor may also be an absolute pressure sensor.
  • the absolute pressure sensor uses vacuum as the reference pressure.
  • the pressure sensor according to the invention as a differential pressure sensor or as a relative or absolute pressure sensor, it preferably comprises two chambers, which are separated by a partition, in or on which the membrane is arranged.
  • the chambers may be substantially closed cavities in a housing, in which also the membrane and the electronic component are arranged.
  • the non-crosslinked organic substance used according to the invention is preferably a fat, wherein the term fat is also to be understood as meaning an oil, preferably with a bodying agent.
  • the thus provided pressure sensor is relatively easy to manufacture and is characterized by a robust construction, through the structural design, the risk of deposition and freezing of condensate in the vicinity of the membrane or the piezoelectric element is reduced or prevented.
  • the electronic component is a piezoresistive element, or that the electronic component is a capacitor.
  • a piezoresistive pressure sensor is provided.
  • Such a piezoresistive pressure sensor is predominantly made of silicon, wherein electrical resistances are applied to the membrane.
  • the electrical resistances are preferably diffused in and their respective electrical resistance is deformation-dependent.
  • the individual resistors can be connected together to form a resistance bridge.
  • the change in the resistances is measured via the transverse bridge voltage, which is a measure of the deformation of the membrane and thus of the pressure difference between both sides of the sensor membrane.
  • Pressure sensor chip is predominantly made of silicon. In his membrane is a
  • Electrode of a capacitor diffused or applied as a conductive thin film.
  • the second electrode of the capacitor is a stationary electrode and is opposite, on a non-movable part of the pressure sensor or the membrane. There is a vacuum between the membrane and the non-moving electrode.
  • Pressurization deforms the membrane and thus changes the distance between the two opposing capacitor electrodes.
  • the result is a capacitance change of the capacitor.
  • the capacity is evaluated electronically and is a measure of the pressure applied to the membrane from the outside.
  • the membrane has a gel layer.
  • This gel layer may optionally cover the entire membrane, at least on one side thereof.
  • the gel used may be an organic, crosslinked gel or a fluorine-based synthetic gel.
  • the gel layer thickness is 1 mm to 3 mm, but also thicker or thinner layers should not be excluded from the subject of the invention.
  • the layer of the non-crosslinked organic substance is arranged on the gel layer. That is, a gel layer is disposed on the membrane and the non-crosslinked organic substance is also coated on the gel layer as a layer. Alternatively, it is also possible that the substance is arranged directly on the membrane or the electronic component. The advantage of the arrangement of the substance layer on the gel layer is in addition to the protection of the membrane also a protection of the gel layer.
  • the gel layer is arranged only on one side of the membrane and the layer of non-crosslinked organic substance is disposed on the side of the membrane opposite the gel layer.
  • Embodiment thus one side of the membrane is protected by the gel layer and the other side protected by the substance layer.
  • the substance layer is to be arranged in particular on the side on which the larger, chemical, mechanical or thermal loads are to be expected.
  • gel layers are arranged on both sides of the membrane and layers of the non-crosslinked organic substance are arranged on the gel layers.
  • the membrane or the electronic component is protected from both sides by a respective gel layer and a substance layer.
  • the chamber is spatial except for one
  • the non-crosslinked organic substance thus replaces the gas in the chamber as a carrier medium of the pressure signal.
  • the pressure of the exhaust gas acts on the substance, which transfers the compressive stress accordingly to the membrane.
  • the membrane is attached with its edges on or in the opening.
  • this substance layer has a thickness of approximately 1 mm to 5 mm.
  • a layer thickness of 2.5 mm to 3.5 mm, in particular 3 mm, may be provided.
  • the pressure sensor may be configured such that at least the chamber in which the layer of the non-crosslinked organic substance is disposed has a
  • Gas line opening which has a diameter of 1, 5 mm to 8 mm.
  • the preferred size of the diameter of the gas line opening is between 2.5 mm - 6 mm.
  • gas line opening diameters of 5 mm have proved favorable.
  • the advantage of this embodiment is, in particular, that exhaust gas condensate can flow off unhindered from such dimensioned gas line openings, so that
  • non-crosslinked organic substance has at least proportionally a silicone oil fat.
  • the non-crosslinked organic substance consists entirely of the silicone oil fat.
  • the substance may be at least partially prepared from a perfluoropolyether oil fat or completely formed by this grease.
  • said silicone oil grease or perfluoropolyether oil grease comprises a bodying agent, that is, a viscosifying agent, such as PTFE (polytetrafluoroethylene) having particle sizes in the preferably single-digit micron range.
  • a viscosifying agent such as PTFE (polytetrafluoroethylene) having particle sizes in the preferably single-digit micron range.
  • the viscosity of the non-crosslinked organic substance is preferably between 150 mm 2 s -1 at 313 K and 40 mm 2 s -1 at 373 K.
  • the above fats are non-flammable and relatively insensitive to high exhaust gas temperatures.
  • the invention furthermore relates to a motor vehicle which has the pressure sensor according to the invention, with which the load state of the particle filter of the motor vehicle can be reliably determined in the aforementioned manner.
  • FIG. 1 shows a pressure sensor according to the invention with a coating of the non-crosslinked organic substance
  • Figure 2 shows a pressure sensor according to the invention with gel layer and non-crosslinked organic substance
  • Figure 3 shows a pressure sensor according to the invention with gel layer and non-crosslinked organic substance having only one chamber
  • FIG. 4 shows a pressure sensor according to the invention with gel layer and non-crosslinked organic substance
  • Figure 5 shows a pressure sensor according to the invention only with coating of the non-crosslinked organic substance
  • FIG. 6 shows a pressure sensor according to the invention with a vacuum chamber.
  • FIGS. 1 and 2 show that the pressure sensor comprises a housing 10 in which a partition wall 20 is arranged, which encloses the housing 10 into a first chamber 11 and a second chamber 12, wherein the second chamber 12 defines the volume adjacent to the partition 20.
  • Pressure sensors can have the function of a differential pressure sensor.
  • the connected to the first chamber 11 and second chamber 12 gas line openings 22 are connected to the exhaust pipe respectively before and behind the particulate filter, so that the gas pressure 60, which is illustrated in the accompanying figures with the arrow acts in the chambers 11 and 12 respectively ,
  • FIG. 3 shows an embodiment of the pressure sensor according to the invention, which likewise has the function of a differential pressure sensor.
  • Pressure sensor has only one chamber 11, which is limited by the partition wall 20.
  • the Gas effetsöffnuhg 22 is connected to the first chamber 11 with the exhaust line upstream of the particulate filter.
  • the gas line opening 22 on the opposite side of the first chamber 11 is preferably connected to the exhaust line downstream of the particulate filter.
  • All three embodiments of the pressure sensor have in common that, depending on the difference between the gas pressures 60 on the two sides of the partition 20, so in Figures 1 and 2 in the first chamber 11 and the second chamber 12 and in Figure 3 of the first Chamber 11 acting gas pressure with respect to the ambient pressure, a relatively thin-walled membrane 31 deformed, which is arranged on or in an opening 21 of the partition wall 20.
  • the membrane 31 is thus part of a so-called pressure sensor chip 32, which also includes the electronic component 30.
  • non-crosslinked organic substance 40 is preferably a fat.
  • this substance 40 is disposed on both sides of the membrane 31.
  • the partition wall 20 serves not only to subdivide the housing 10 into the chambers 11 and 12, but also to the line or as a carrier of bonding wires or electrical lines 24, which are connected to the electronic component 30 for the purpose of measuring the respective physical size.
  • Component 30 the substance layer 40 also fulfills the function of protecting these electrical leads 24.
  • Substance layer 40 kept away from the electronic component 30. Due to the relatively low strength of the non-crosslinked organic substance 40, the gas pressure 60 on the
  • the substance layer 40 may also be combined with a gel layer 50, as shown in FIG.
  • This gel layer 50 is preferably arranged on the side of the membrane 31, on which the bonding wires or the electrical leads 24 are arranged.
  • a layer of the non-crosslinked organic substance 40 is provided on the gel layer.
  • a substance layer 40 On the side facing away from the electrical lines 24 of the membrane 31 may also be provided a substance layer 40, as shown in Figure 2.
  • the invention is not limited to certain layer thicknesses of the non-crosslinked organic substance 40, but it can also - as shown in Figure 3 - be provided that the respective chamber in which the substance 40 is arranged completely through the substance 40 and filled by the gel 50.
  • a nozzle adjoining the dividing wall 20 and forming a gas line opening 22 may at least partially be filled with the non-crosslinked organic substance 40, as also shown in FIG.
  • This embodiment of the filling with the non-crosslinked organic substance 40 causes no condensate to accumulate in a chamber or in a gas line opening, so that after a corresponding drop in temperature no frozen condensate can affect the electronic component 30 in its function.
  • FIGS. 4 and 5 show a pressure sensor designed as a relative pressure sensor according to the invention. One is connected to the first chamber 1 1
  • Gas line opening preferably connected to the exhaust pipe upstream of the particulate filter, so that the gas pressure 60, which prevails in the exhaust pipe, via the gas line opening 22 also acts in the first chamber 11.
  • the second chamber 12 is connected via an opening 22 with the environment. As a result, the pressure prevailing in the second chamber is the
  • FIGS. 4 and 5 differ in that, in the pressure sensor according to the invention in FIG. 4, a gel layer 50 is still present between the membrane 31 and the layer of the non-crosslinked organic substance 40, as well as the layers of gel 50 and non-crosslinked organic substance 40 by
  • FIG. 6 shows an absolute pressure sensor according to the invention.
  • This pressure sensor has only one chamber, namely the first chamber 11, in which variable pressure conditions can prevail.
  • the pressure in the first chamber 1 1 is transferred to the membrane 31 via the layer of the non-crosslinked organic substance 40 and the gel layer 50.
  • To support the membrane 31 rests on a glass base 80, which in turn on a support plate 70th supported.
  • the shape of the diaphragm 31 also changes in this embodiment of the pressure sensor according to the invention, so that the resistance of a piezoresistive element arranged on the diaphragm 31 is changed or the capacitance of a capacitor arranged on the diaphragm 31 is changed ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, der wenigstens eine in ihrer Form und/oder Größe veränderliche Membran (31) und ein elektronisches Bauteil (30) umfasst, wobei wenigstens eine Komponente des elektronischen Bauteils (30) derart mit der Membran (31) verbunden ist, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung am elektronischen Bauteil (30) und Änderung der Form und/oder Größe der Membran (31) eine Veränderung einer im elektronischen Bauteil (30) messbaren physikalischen Größe detektierbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine Seite der Membran (31) mit einer nicht- vernetzten organischen Substanz (40) beschichtet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen Drucksensor aufweist.

Description

Beschreibung
Drucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, der wenigstens eine in ihrer Form und/oder Größe veränderliche Membran und ein elektronisches Bauteil umfasst, wobei wenigstens eine Komponente des elektronischen Bauteils derart mit der Membran verbunden ist, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung am elektronischen Bauteil und Änderung der Form und/oder Größe der Membran eine Veränderung einer im Bauteil messbaren
physikalischen Größe detektierbar ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches den erfindungsgemäßen Drucksensor aufweist.
Bei Partikelfiltern, die zur Filterung von Abgaspartikeln in Kraftfahrzeugen eingesetzt sind, ist es erforderlich, kontinuierlich den Beladungszustand des Partikelfilterkörpers mit den
herauszufilternden Partikeln zu überwachen. Zu diesem Zweck nutzt man Drucksensoren, mit denen der Druck im Abgas vor dem Partikelfilter in Bezug zum Abgasdruck nach dem
Partikelfilter ermittelt wird. Je höher dabei das Druckgefälle ist, umso höher ist der
Beladungszustand auf dem Partikelfilterkörper. Das heißt, dass über die ermittelte
Druckdifferenz ein Signal generiert werden kann, welches eine Information über eine notwendige Behandlung oder einen Austausch des Partikelfilters enthält.
Ein zum genannten Zweck einzusetzender Drucksensor umfasst dabei in herkömmlicher Ausführungsform einen so genannten Sensor-Chip mit einer bei Druckänderungen in ihrer Form und/oder Größe veränderlichen Membran und einem elektronischen Bauteil, von dem wenigstens eine Komponente derart mit der Membran verbunden ist, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung am elektronischen Bauteil und Änderung der Form und/oder Größe der Membran eine Veränderung einer im Bauteil messbaren physikalischen Größe detektierbar ist. Das elektronische Bauteil ist mittels so genannter Bonddrähte an die elektronische Peripherie angeschlossen ist. Die Membran ist oftmals in oder an einer Öffnung einer zwei Volumen separierenden Trennwand angeordnet. Bei Verformung oder Größenänderung der Membran lassen sich mittels Auswertung einer Änderung einer physikalischen Größe am elektronischen Bauteil Rückschlüsse über die Verformung der Membran und damit über die herrschenden Duckverhältnisse an der Membran ziehen. Je nach Position der Anordnung der Membran beziehungsweise des Drucksensors sind dadurch Aussagen über die Druckverhältnisse im Ansaugbereich, im Ladebereich, im Abgasrückführungsbereich oder im Niederdruck- Abgasrückführungsbereich möglich.
Dabei kann der Drucksensor derart ausgestaltet sein, dass er zumindest auf der Seite der Membran, auf der die Bonddrähte angeordnet sind, eine Gelschicht aufweist, die zum Schutz der Membran-Oberfläche beziehungsweise des dort angeordneten elektronischen Bauteils vor Ablagerungen von Abgaspartikeln oder vor flüssigem oder gefrorenem Kondensat und/oder im Abgaskondensat enthaltener Säure dient.
Der Drucksensor muss neben den genannten Beanspruchungen durch gefrorenes Kondensat beziehungsweise Abgaspartikel und Säure außerdem mechanische Beanspruchung, insbesondere in Form von Schwingungen, und thermische Beanspruchung mit
Temperaturschwankungen von bis zu 180 K aushalten können. Insbesondere die Resistenz des Drucksensors gegenüber den aggressiven Abgaskondensaten stellt eine besondere
Herausforderung dar. Die zum Schutz des Chips eingesetzte Gelschicht hat deshalb eine Schichtdicke von 1 mm bis 3 mm. Trotzdem hat sich in Dauerlastversuchen sowie auch in der Praxis gezeigt, dass unter Umständen die Lebensdauer des Sensors nicht ausreichend sein könnte, was insbesondere auf die Problematik mechanischer Beanspruchung aufgrund des einfrierenden Kondensats zurückzuführen ist, welches gegebenenfalls eine Versperrung beziehungsweise Blockierung eines Druckzuganges bewirken kann.
Des Weiteren kann gegebenenfalls die Lebensdauer der eingesetzten Gelschicht auf Grund ihrer chemischen und thermischen Widerstandsfähigkeit nicht den gestellten
Qualitätsanforderungen entsprechen.
Aus der Patentliteratur ist die DE 102 23 357 A1 bekannt, welche zum Schutz des Chips die oben bereits genannte Gelschicht verwendet. Diese Gelschicht weist jedoch eine relativ begrenzte Widerstandsfähigkeit gegen Abgaskondensat auf. Das verwendete Gel hat vernetzte Strukturen, welche nach Korrosion und anschließender Aufnahme von Kondensat quellen können und derart Druck auf die Sensormembran ausüben können, so dass Druckmessungen verfälscht werden. Weiterhin ist die verwendete Gelschicht nicht in der Lage, die Ansammlung von Kondensat zu verhindern. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der in einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger Weise genaue Druckmessungen ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Drucksensor nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Drucksensors sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Ergänzend wird ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 10 zur Verfügung gestellt, welches den erfindungsgemäßen Drucksensor umfasst.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Drucksensor zur Verfügung gestellt, der wenigstens eine in ihrer Form und/oder Größe veränderliche Membran und ein elektronisches Bauteil umfasst, wobei wenigstens eine Komponente des elektronischen Bauteils derart mit der Membran verbunden ist, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung am elektronischen Bauteil und Änderung der Form und/oder Größe der Membran eine Veränderung einer im Bauteil messbaren physikalischen Größe detektierbar ist, und wenigstens eine Seite der Membran mit einer nicht-vernetzten organischen Substanz beschichtet ist.
Das heißt, dass erfindungsgemäß ein Drucksensor zur Verfügung gestellt wird, der einen so genannten Sensor-Chip mit einer integrierten Membran aufweist. Die Beschichtung mit der nicht-vernetzten organischen Substanz ist vorzugsweise auf der Seite der Membran
vorgesehen, auf der auch das elektronische Bauteil beziehungsweise dessen Komponente angeordnet ist. Der Drucksensor bildet einen so genannten Sensor-Chip aus, in den die Membran integriert ist, wobei die Membran im Wesentlichen durch einen zweidimensionalen Flächenbereich ausgestaltet ist.
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Differenzdrucksensor sein oder ein
Relativdrucksensor. Ein Differenzdrucksensor misst die Differenz zwischen zwei absoluten Drücken, die gleichzeitig auf beiden Seiten der Sensormembran anliegen. .
Der Relativdrucksensor unterscheidet sich vom Differenzdrucksensor dadurch, dass auf einer Seite der Sensormembran atmosphärischer Druck als Referenz anliegt.
In weiterer alternativer Ausgestaltung kann der Drucksensor auch ein Absolutdrucksensor sein. Beim Absolutdrucksensor dient Vakuum als Referenzdruck. Bei Ausführung des erfindungsgemäßen Drucksensors als Differenzdrucksensor oder als Relativ- oder Absolutdrucksensor umfasst er vorzugsweise zwei Kammern, die durch eine Trennwand getrennt sind, in oder an der die Membran angeordnet ist. Die Kammern können dabei im Wesentlichen abgeschlossene Hohlräume in einem Gehäuse sein, in dem auch das die Membran und das elektronische Bauteil angeordnet sind.
Die erfindungsgemäß verwendete nicht-vernetzte organische Substanz ist vorzugsweise ein Fett, wobei unter dem Begriff Fett auch ein Öl, vorzugsweise mit Konsistenzgeber, zu verstehen ist.
Der Vorteil des mit der Substanz beschichteten Flächenbereichs des Piezoelementes ist ein zuverlässiger Schutz der Membran beziehungsweise des elektronischen Bauteils vor
Abgaskondensat bei gleichbleibender Fähigkeit des Sensors zur Druckänderungsdetektion.
Dadurch lässt sich eine Erhöhung der Lebensdauer des Drucksensors bei Beibehaltung eines relativ geringen Volumens sowie eine Verringerung oder Verhinderung der Gefahr des
Einfrierens des Drucksensors erreichen.
Der damit zur Verfügung gestellte Drucksensor ist relativ einfach herstellbar und zeichnet sich durch einen robusten Aufbau aus, durch dessen konstruktive Ausführung die Gefahr des Ablagerns und Einfrierens von Kondensat in der Nähe der Membran beziehungsweise des Piezoelements verringert beziehungsweise unterbunden wird.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das elektronische Bauteil ein piezoresistives Element ist, oder dass das elektronische Bauteil ein Kondensator ist.
Bei Ausführung des elektronischen Bauteils als ein piezoresistives Element wird
erfindungsgemäß ein piezoresistiver Drucksensor zur Verfügung gestellt. Ein derartiger piezoresistiver Drucksensor wird überwiegend aus Silizium gefertigt, wobei auf der Membran elektrische Widerstände aufgebracht sind. Die elektrischen Widerstände sind bevorzugt eindiffundiert und ihr jeweiliger elektrischer Widerstand ist verformungsabhängig.
Die einzelnen Widerstände können zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschaltet sein. Die Änderung der Widerstände wird über die Brückenquerspannung gemessen, sie ist ein Maß für die Verformung der Membran und somit für den Druckunterschied zwischen beiden Seiten der Sensormembran. Bei Ausführung des elektronischen Bauteils als Kondensator ist der erfindungsgemäße
Drucksensor somit ein so genannter kapazitiver Drucksensor. Ein solcher kapazitiver
Drucksensorchip wird überwiegend aus Silizium hergestellt. In seine Membran ist eine
Elektrode eines Kondensators eindiffundiert oder als leitfähige Dünnschicht aufgebracht. Die zweite Elektrode des Kondensators ist eine stationäre Elektrode und liegt gegenüber, auf einem nichtbeweglichen Teil des Drucksensors beziehungsweise der Membran. Zwischen der Membran und der nichtbeweglichen Elektrode befindet sich ein Vakuum. Bei
Druckbeaufschlagung verformt sich die Membran und somit ändert sich der Abstand der zwei gegenüberliegenden Kondensatorelektroden. Die Folge ist eine Kapazitätsänderung des Kondensators. Die Kapazität wird elektronisch ausgewertet und ist ein Maß für den an der Membran von außen anliegenden Druck.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Membran eine Gelschicht aufweist. Diese Gelschicht kann gegebenenfalls die gesamte Membran, zumindest auf einer ihrer Seiten, bedecken. Das dabei verwendete Gel kann ein organisches, vernetztes Gel sein oder ein synthetisches Gel auf Fluorbasis. Die Gelschichtdicke beträgt 1 mm bis 3 mm, wobei jedoch auch dickere oder dünnere Schichten nicht vom Gegenstand der Erfindung ausgeschlossen sein sollen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schicht aus der nicht- vernetzten organischen Substanz auf der Gelschicht angeordnet ist. Das heißt, dass auf der Membran eine Gelschicht angeordnet ist und auf der Gelschicht die nicht-vernetzte organische Substanz ebenfalls als eine Schicht aufgetragen ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die Substanz direkt auf der Membran beziehungsweise dem elektronischen Bauteil angeordnet ist. Der Vorteil der Anordnung der Substanzschicht auf der Gelschicht ist neben dem Schutz der Membran auch ein Schutz der Gelschicht.
In alternativer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Gelschicht lediglich auf einer Seite der Membran angeordnet ist und die Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz auf der der Gelschicht gegenüber liegenden Seite der Membran angeordnet ist. In dieser
Ausführungsform wird somit eine Seite der Membran durch die Gelschicht geschützt und die andere Seite durch die Substanzschicht geschützt. Die Substanzschicht ist insbesondere auf der Seite anzuordnen, auf der die größeren, chemischen, mechanischen oder thermischen Belastungen zu erwarten sind.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass Gelschichten auf beiden Seiten der Membran angeordnet sind und Schichten aus der nicht-vernetzten organischen Substanz auf den Gelschichten angeordnet sind. Dadurch wird die Membran beziehungsweise das elektronische Bauteil von beiden Seiten durch jeweils eine Gelschicht und eine Substanzschicht geschützt.
In besonderer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drucksensor wenigstens eine
Kammer und eine die Kammer von einem angrenzenden Volumen trennende Trennwand mit einer Öffnung aufweist, wobei die Membran die Öffnung in der Trennwand verschließt, und die Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz derart ausgeführt ist, dass sie die jeweilige Kammer ausfüllt. In diesem Fall ist die Kammer räumlich, bis auf eine
Gasleitungsöffnung, abgeschlossen. Die nicht-vernetzte organische Substanz ersetzt somit in der Kammer das Gas als Trägermedium des Drucksignals. Der Druck des Abgases wirkt auf die Substanz, die die Druckspannung entsprechend auf die Membran weiter überträgt.
Vorzugsweise ist die Membran dabei mit ihren Rändern an oder in der Öffnung befestigt.
In der Ausführungsform, in der lediglich eine relativ dünne Substanzschicht vorgesehen ist, weist diese Substanzschicht eine Dicke von zirka 1 mm bis 5 mm auf. Es kann insbesondere eine Schichtdicke von 2,5 mm bis 3,5 mm, insbesondere 3 mm, vorgesehen sein.
Theoretisch besteht die Gefahr, dass es bei hohen Temperaturen im Drucksensor zu einer Erweichung beziehungsweise Verflüssigung der Substanz kommen könnte und die Substanz demzufolge aus der jeweiligen Kammer strömen könnte. Aufgrund einer relativ hohen Viskosität der Substanz sowie Kohäsions- und Adhäsionskräften zwischen der Substanz und dem
Material des Drucksensors und gegebenenfalls aufgrund der Oberflächenspannung der Substanz wird ein Volumenstrom der Substanz aus dem Gehäuse des Drucksensors selbst bei höheren Temperaturen verhindert.
Dementsprechend kann der Drucksensor derart ausgestaltet sein, dass zumindest die Kammer, in der die Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz angeordnet ist, eine
Gasleitungsöffnung umfasst, die einen Durchmesser von 1 ,5 mm bis 8 mm aufweist.
Die bevorzugte Größe des Durchmessers der Gasleitungsöffnung beträgt zwischen 2,5 mm - 6 mm. Insbesondere haben sich Gasleitungsöffnungs-Durchmesser von 5 mm als günstig erwiesen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt insbesondere darin, dass Abgaskondensat aus derart dimensionierten Gasleitungsöffnungen ungehindert abfließen kann, so dass
Beschädigungen des Drucksensors auf Grund gefrorenen Kondensats verhindert werden. In einer Ausführungsvariante der nicht-vernetzten organischen Substanz weist diese zumindest anteilig ein Silikon-Öl-Fett auf. In einfacher Ausführungsform ist vorgesehen, dass die nicht- vernetzte organische Substanz vollständig aus dem Silikon-Öl-Fett besteht.
Alternativ kann die Substanz zumindest anteilig aus einem Perfluorpolyether-Öl-Fett hergestellt sein oder vollständig durch dieses Fett ausgebildet sein. Vorzugsweise umfasst das genannte Silikon-Öl-Fett oder das Perfluorpolyether-Öl-Fett einen Konsistenzgeber, das heißt, ein Mittel zur Erhöhung der Viskosität, wie zum Beispiel PTFE (Polytetrafluorethylen) mit Partikelgrößen im vorzugsweise einstelligen Mikrometerbereich.
Die Viskosität der nicht-vernetzten organischen Substanz beträgt vorzugsweise zwischen 150 mm2 s"1 bei 313 K und 40 mm2 s"1 bei 373 K.
Die oben genannten Fette sind nicht brennbar und relativ unempfindlich gegenüber hohen Abgastemperaturen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug, welches den erfindungsgemäßen Drucksensor aufweist, mit dem in genannter Weise zuverlässig der Beladungszustand des Partikelfilters des Kraftfahrzeuges ermittelt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargstellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit Beschichtung aus der nicht- vernetzten organischen Substanz;
Figur 2 einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit Gelschicht und nicht-vernetzter organischer Substanz;
Figur 3 einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit Gelschicht und nicht-vernetzter organischer Substanz, der lediglich eine Kammer aufweist;
Figur 4 einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit Gelschicht und nicht-vernetzter organischer Substanz; Figur 5 einen erfindungsgemäßen Drucksensor lediglich mit Beschichtung aus der nicht-vernetzten organischen Substanz; und
Figur 6 einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit Vakuumkammer.
Zur Erläuterung der Erfindung wird zunächst Bezug genommen auf die unterschiedlichen konstruktiven Ausführungsformen des Gehäuses 10. In den Figuren 1 und 2 ist dargestellt, dass der Drucksensor ein Gehäuse 10 umfasst, in welchem eine Trennwand 20 angeordnet ist, die das Gehäuse 10 in eine erste Kammer 11 und eine zweite Kammer 12 unterteilt, wobei die zweite Kammer 12 das an die Trennwand 20 angrenzende Volumen definiert. Derartige
Drucksensoren können die Funktion eines Differenzdrucksensors aufweisen. Die an die erste Kammer 11 beziehungsweise zweite Kammer 12 angeschlossenen Gasleitungsöffnungen 22 sind dabei mit der Abgasleitung jeweils vor und hinter dem Partikelfilter verbunden, so dass der Gasdruck 60, der in den beiliegenden Figuren mit dem Pfeil verdeutlicht ist, in den Kammern 11 beziehungsweise 12 wirkt.
In Figur 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors dargestellt, der ebenfalls die Funktion eines Differenzdrucksensors aufweist. Das Gehäuse 10 dieses
Drucksensors weist lediglich eine Kammer 11 auf, die durch die Trennwand 20 begrenzt ist. Auf der der ersten Kammer 11 gegenüber liegenden Trennwandseite ist ein Stutzen angeordnet, der die Gasleitungsöffnung 22 realisiert. Es ist dabei vorgesehen, dass die Gasleitungsöffnuhg 22 an der ersten Kammer 11 mit dem Abgasstrang stromaufwärts des Partikelfilters verbunden ist. Die Gasleitungsöffnung 22 auf der der ersten Kammer 11 gegenüberliegenden Seite ist bevorzugt mit dem Abgasstrang stromabwärts des Partikelfilters verbunden.
Allen drei Ausführungsformen des Drucksensors ist gemeinsam, dass sich je nach Unterschied zwischen den Gasdrücken 60 auf den beiden Seiten der Trennwand 20, also in den Figuren 1 und 2 in der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 und in Figur 3 der auf die erste Kammer 11 wirkende Gasdruck in Bezug zum Umgebungsdruck, eine relativ dünnwandig ausgeführte Membran 31 verformt, welche an oder in einer Öffnung 21 der Trennwand 20 angeordnet ist. Die Membran 31 ist somit Bestandteil eines so genannten Drucksensorchips 32, der auch das elektronische Bauteil 30 umfasst.
Wie bereits beschrieben, lässt sich je nach Verformungsgrad der Membran 31 ein
unterschiedlicher Widerstand oder eine unterschiedliche Kapazität messen, je nachdem, ob der Drucksensor mit einem piezoresistiven Element oder einem Kondensator als elektronischem Bauteil 30 ausgestattet ist. Aufgrund der nur sehr geringen geometrischen Abmessungen des elektronischen Bauelementes 30 ist dieses nicht als gesondertes Bauteil auf der Membran 31 dargestellt, sondern lediglich mit der jeweiligen Bezugslinie angedeutet.
Zum Schutz der Membran 31 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine ihrer Seiten mit einer nicht-vernetzten organischen Substanz 40 beschichtet ist. Diese nicht-vernetzte organische Substanz 40 ist vorzugsweise ein Fett.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass - wie in Figur 1 dargestellt - diese Substanz 40 auf beiden Seiten der Membran 31 angeordnet ist.
Die Trennwand 20 dient dabei nicht nur zur Unterteilung des Gehäuses 10 in die Kammern 11 und 12, sondern auch zur Leitung oder als Träger von Bonddrähten beziehungsweise elektrischen Leitungen 24, die zwecks Messung der jeweiligen physikalischen Größe am elektronischen Bauelement 30 angeschlossen sind.
Neben dem Effekt des Schutzes der Membran 31 beziehungsweise des elektronischen
Bauelementes 30 erfüllt die Substanzschicht 40 außerdem die Funktion des Schutzes dieser elektrischen Leitungen 24.
Partikel des Abgases sowie gegebenenfalls gefrorenes Kondensat werden durch die
Substanzschicht 40 vom elektronischen Bauelement 30 ferngehalten. Durch die relativ geringe Festigkeit der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 wird der Gasdruck 60 auf die
Membran 31 übertragen.
In besonderer Ausführungsform kann die Substanzschicht 40 auch mit einer Gelschicht 50, wie in Figur 2 dargestellt, kombiniert sein.
Diese Gelschicht 50 ist vorzugsweise an der Seite der Membran 31 angeordnet, an der die Bonddrähte beziehungsweise die elektrischen Leitungen 24 angeordnet sind.
Durch das Gel werden die Membran 31 , das elektronische Bauteil 30 sowie auch die
elektrischen Leitungen 24 geschützt. Um jedoch ein temperaturbedingtes Aufquellen und damit eine verfälschende Druckübertragung vom Gel 50 auf die Membran 31 zu vermeiden, ist auf der Gelschicht noch eine Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 vorgesehen. Auf der den elektrischen Leitungen 24 abgewandten Seite der Membran 31 kann ebenfalls eine Substanzschicht 40 vorgesehen sein, wie in Figur 2 dargestellt ist. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Schichtdicken der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 eingeschränkt, sondern es kann auch - wie in Figur 3 dargestellt - vorgesehen sein, dass die jeweilige Kammer, in der die Substanz 40 angeordnet ist, vollständig durch die Substanz 40 und durch das Gel 50 gefüllt ist. Genauso kann ein sich an die Trennwand 20 anschließender Stutzen, der eine Gasleitungsöffnung 22 ausbildet, zumindest abschnittsweise mit der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 gefüllt sein, wie es ebenfalls in Figur 3 gezeigt ist. Diese Ausgestaltung der Befüllung mit der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 bewirkt, dass sich kein Kondensat in einer Kammer oder in einer Gasleitungsöffnung ansammeln kann, so dass nach einem entsprechenden Temperaturabfall auch kein gefrorenes Kondensat das elektronische Bauteil 30 in seiner Funktion beeinträchtigen kann.
In den Figuren 4 und 5 ist ein als Relativdrucksensor ausgestalteter erfindungsgemäßer Drucksensor dargestellt. Dabei ist eine an die erste Kammer 1 1 angeschlossene
Gasleitungsöffnung vorzugsweise mit der Abgasleitung vor dem Partikelfilter verbunden, so dass der Gasdruck 60, der in der Abgasleitung herrscht, über die Gasleitungsöffnung 22 auch in der ersten Kammer 11 wirkt. Die zweite Kammer 12 ist über eine Öffnung 22 mit der Umgebung verbunden. Demzufolge ist der in der zweiten Kammer herrschende Druck der
Umgebungsdruck, zu welchem der Gasdruck 60 in der ersten Kammer 11 ins Verhältnis gesetzt wird.
Die Ausgestaltungen in den Figuren 4 und 5 unterscheiden sich dadurch, dass in dem erfindungsgemäßen Drucksensor in Figur 4 zwischen der Membran 31 und der Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 noch eine Gelschicht 50 vorhanden ist, sowie das die Schichten aus Gel 50 und nicht-vernetzter organischer Substanz 40 durch
Umgebungswände 23 vom restlichen Volumen der ersten Kammer 11 abgegrenzt sind. Beim erfindungsgemäßen Drucksensor, der in Figur 5 dargestellt ist, ist auf einer Seite der
Trennwand 20 sowie, auch der Membran 31 lediglich die nicht-vernetzte organische Substanz 40 angeordnet.
In Figur 6 ist ein erfindungsgemäßer Absolutdrucksensor dargestellt. Dieser Drucksensor weist lediglich eine Kammer, nämlich die erste Kammer 1 1 auf, in der variable Druckverhältnisse herrschen können. Der Druck in der ersten Kammer 1 1 überträgt sich über die Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz 40 und die Gelschicht 50 auf die Membran 31 . Auf deren der ersten Kammer 1 1 gegenüber liegenden Seite besteht Vakuum. Zur Abstützung der Membran 31 ruht diese auf einem Glassockel 80, der sich wiederum auf einer Trägerplatte 70 abstützt. Bei sich ändernden Druckverhältnissen in der ersten Kammer 11 ändert sich auch bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors die Form der Membran 31 , so dass der Widerstand eines auf der Membran 31 angeordneten piezoresistiven Elementes geändert wird oder die Kapazität eines auf der Membran 31 angeordneten Kondensators geändert wird.
Bezugszeichenliste
Gehäuse
erste Kammer
angrenzendes Volumen, zweite Kammer
Trennwand
Öffnung
Gasleitungsöffnung
Umgebungswand
elektrische Leitung
elektronisches Bauteil
Membran
Drucksensorchip
nicht-vernetzte organische Substanz
Gel
Gasdruck
Trägerplatte
Glassockel

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensor, umfassend wenigstens eine in ihrer Form und/oder Größe veränderliche Membran (31 ) und ein elektronisches Bauteil (30), wobei wenigstens eine Komponente des elektronischen Bauteils (30) derart mit der Membran (31 ) verbunden ist, dass bei Anlage einer elektrischen Spannung am elektronischen Bauteil (30) und Änderung der Form und/oder Größe der Membran (31) eine Veränderung einer im elektronischen Bauteil (30) messbaren physikalischen Größe detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Seite der Membran (31 ) mit einer nicht-vernetzten organischen Substanz (40) beschichtet ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (30) ein piezoresistives Element ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (30) ein Kondensator ist.
4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (31) eine Gelschicht (50) aufweist.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus der nicht- vernetzten organischen Substanz (40) auf der Gelschicht (50) angeordnet ist.
6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelschicht (50)
lediglich auf einer Seite der Membran (31 ) angeordnet ist und die Schicht aus der nicht- vernetzten organischen Substanz (40) auf der der Gelschicht (50) gegenüberliegenden Seite der Membran angeordnet ist.
7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor wenigstens eine Kammer (11 ) und eine die Kammer von einem angrenzenden Volumen (12) trennende Trennwand (20) mit einer Öffnung (21) aufweist, wobei die Membran (31) die Öffnung (21 ) in der Trennwand (20) verschließt, und die Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz (40) derart ausgeführt ist, dass sie die jeweilige Kammer (11 ) ausfüllt.
8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Kammer (11), in der die Schicht aus der nicht-vernetzten organischen Substanz (40) angeordnet ist, eine Gasleitungsöffnung (22) umfasst, die einen Durchmesser von 1 ,5 mm bis 8 mm aufweist.
9. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-vernetzte organische Substanz (40) zumindest anteilig ein Silikon-Öl-Fett umfasst.
10. Kraftfahrzeug, umfassend einen Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
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