DE19527687A1 - Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es sind beispielsweise Drucksensoren bekannt, bei denen auf einer Meßmembran Dünnschicht-Widerstandsmeßbrücken zur Mes­ sung von absoluten Drücken oder von Druckänderungen insbe­ sondere in hydraulischen Systemen angeordnet sind. Bewegun­ gen der Meßmembran aufgrund von Druckschwankungen führen hierbei aufgrund von Stauchungen oder Streckungen der in der Regel mäanderförmigen Widerstandsbahnen zu Widerstand­ sänderungen in den jeweiligen Dünnschichtwiderständen. Die Dünnschichtwiderstände sind hierbei in bekannter Weise zu einer Wheatston-Meßbrücke verschaltet, wobei die Zuordnung der Dünnschichtwiderstände zu den Brückenzweigen bzw. zu den Bereichen auf der Drucksensormembran so gewählt ist, daß sich die gegenüberliegenden Widerstände jeweils gleich­ sinnig ändern und eine Brücken-Diagonalspannung als Sensor­ signal meßbar ist.

In den häufigsten Anwendungsfällen für Drucksensoren, bei­ spielsweise in hydraulischen Bremssystemen in Kraftfahrzeu­ gen, muß ein genaues Ausgangssignal entsprechend dem Druck der Bremshydraulik ( Meßbereich ca. 250 bar) hochzuverläs­ sig und möglichst auch ausfallsicher erzeugbar sein. Insbe­ sondere bei sicherheitskritischen Systemen im Bereich der Bremsanlagen, z. B. im Antiblockiersystem oder bei der An­ tischlupfregelung, werden Sensoren benötigt, deren einwand­ freie Funktion auch ständig überprüfbar sein muß. Weitere Anwendungsfälle sind Überwachungsfunktionen in pneumati­ schen Systemen sowie bei Einspritzanlagen für die Kraft­ stoffzufuhr in Kraftfahrzeugen.

Es ist weiterhin bekannt, daß die Überwachung von Drucksen­ soren, die Widerstandsmeßbrücken aufweisen, dadurch vorge­ nommen wird, daß in vorgegebenen zeitlichen Abständen eine absolute Messung der Einzelwiderstände vorgenommen wird um somit z. B. alterungs- oder zerstörungsbedingte (z. B. Kor­ rosion oder Bruch) Änderungen der Widerstandseigenschaften der einzelnen Dünnschichtwiderstände zu erkennen. Auch pla­ stische Verformungen der Druckmeßmembran durch Überdruck oder Reißen an der am höchsten belasteten Stelle in der Mitte der Membran führen zu Fehlmessungen. Eine Änderung von sich gleichsinnig ändernden Widerständen in den Brückenzweigen kann hierbei ohne die bereits erwähnten besonde­ ren Maßnahmen nicht erkannt werden, da diese Änderungen sich in der Meßbrücke im Offset kompensieren und damit die Meßbrücke nach außen scheinbar unverändert ist, die Emp­ findlichkeit sich aber ändert und damit zu Fehlern führt.

Die sich jeweils gleichsinnig ändernden Widerstände der Meßbrücke befinden sich auf der Druckmeßmembran vorzugswei­ se an Orten mit den gleichen mechanischen Eigenschaften be­ züglich Zug-/Druckdehnung (entweder in der Mitte oder am Rand der Druckmeßmembran) und werden deshalb gleich bela­ stet; entsprechend verhalten sich ihre Abweichungen. Auch plastische Verformungen der Druckmeßmembran zeigen somit die gleichen, nicht erkennbaren Signalfehler. Eine weitere bekannte Möglichkeit der Erkennung solcher Fehler ist der in bestimmten Abständen wiederholte Vergleich der Einzelwi­ derstände mit einem stabilen Referenzwiderstand. Der über die gesamte Lebensdauer stabile Referenzwiderstand kann hierbei zu einem Brückenwiderstand parallel geschaltet wer­ den und daher zur Überwachung von Änderungen des Brücken-Ausgangssignals herangezogen werden.

Die bekannten Sensoren mit den besonderen Überwachungsme­ chanismen haben vor allem den Nachteil, daß ständig zwi­ schen dem Prüf-/Überwachungsmodus und der Drucksensierung umgeschaltet werden muß, was die Dynamik des Sensors stark herabsetzt, da die Referenzmessung Zeit erfordert. Ferner können hiermit Forderungen nach Ausfallsicherheit und Red­ undanz nicht realisiert werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor der eingangs angegebenen Art ist mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ins­ besondere dadurch vorteilhaft, daß durch die Anordnung von zwei voneinander unabhängigen Widerstandsmeßbrücken auf je­ weils einer Membranhälfte eine Überprüfung der Funktionsfä­ higkeit des Sensors während des Betriebs ohne besondere Re­ ferenzmessungen erfolgen kann. Zusätzlich erhöht sich die Verfügbarkeit des Sensors, da auch bei Ausfall einer Wider­ standsmeßbrücke ein Notlauf des Systems mit der anderen Meßbrücke gewährleistet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind die Dünnschichtwiderstände zumindest einer der beiden Widerstandsmeßbrücken so auf der Meßmembran angeord­ net, daß radiale Dehnungen/Stauchungen der Meßmembran zu Widerstandserhöhungen bzw. -verringerungen führen. Bei der jeweils anderen Widerstandsmeßbrücke sind die sich in der Brücke gegenüberliegenden Dünnschichtwiderstände auf der Meßmembran so angeordnet, daß vorzugsweise im Randbereich der Membran eine tangentiale Dehnung erfaßt wird und diese zu der Widerstandserhöhung führt. Durch die Ausnutzung des Tangentialeffekts werden diese Widerstände schwächer bela­ stet und die Abweichungen über die Lebensdauer sind somit auch niedriger.

Da die beiden Meßbrücken gemäß der vorgehend beschriebenen Ausführungsform sich hinsichtlich des Brückendiagonalsi­ gnals über der Lebensdauer unterschiedlich verhalten, da die Dünnschichtwiderstände zur Erfassung der tangentialen Dehnung eine andere Membranbewegung erfassen als die radia­ le Dehnung oder Stauchung, kann durch Vergleich der beiden Brückensignale eine einfache Funktionsüberprüfung erfolgen.

Auch plastische Verformungen der Druckmeßmembran können so eindeutig im Brückenoffset erkannt werden, da die beiden Brücken-Diagonalsignale hierdurch deutlich auseinander driften. Alterungserscheinungen sowie mechanische oder phy­ sikalisch-chemische Effekte beeinflussen die Empfindlichkeit der beiden Brücken unterschiedlich, so daß diese durch ei­ nen Vergleich erkannt werden können.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Meßmembran eines Drucksensors mit;

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild der rechten Meß­ brücke;

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild der linken Meßbrücke;

Fig. 4 ein Detailbild eines Dünnschichtwiderstandes und

Fig. 5 ein Diagramm der mechanischen Spannungen/Deh­ nungen auf der Meßmembran.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist ein Sensor 1 dargestellt, der als Druck­ sensor für die Erfassung der Druckverhältnisse in der Bremshydraulik eines Kraftfahrzeugs dient. Der Sensor 1 enthält eine Meßmembran 2 (beispielsweise aus Metall) auf der Dünnschichtwiderstände R1, R2, R3 und R4 (beispiels­ weise aus polykristallinem Silizium) auf jeder von zwei Sensorhälften 3 und 4 aufgebracht sind. Die Dünnschichtwi­ derstände R1 bis R4 sind auf der Meßmembran 2 an Punkten 5 kontaktiert und für die äußere Verbindung sind die Punkte 5 jeweils an Kontaktpads 6 herangeführt. Dies ist in der Fig. 1 der besseren Übersicht wegen nur beispielsweise am Widerstand R1 der rechten Sensorhälfte 4 dargestellt.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die elektrischen Ersatzschalt­ bilder der Widerstände R1 bis R4 auf der Sensorhälfte 3 (Fig. 2) und der Sensorhälfte 4 (Fig. 3), die jeweils ei­ ne Wheatston-Meßbrücke 7 bzw. 8 bilden. Zur Auswertung als Sensorausgangssignal stehen die Brücken-Diagonalspannungen Uml (Fig. 2) und Umr (Fig. 3) zur Verfügung.

Ein Ausführungsbeispiel eines der Dünnschichtwiderstände R1 bis R4 zeigt Fig. 4, in der die mäanderförmige Struktur von Widerstandsbahnen 9 zwischen den Punkten 5 erkennbar ist. Die Widerstände R1 bis R4 erfahren hierbei eine Ände­ rung ihres Widerstandswertes (+ΔR) bei einer Dehnung (+Δ1) in der dargestellten Richtung. Bei Widerständen aus anderen Materialien kann auch ein anderer geometrischer Aufbau zur Erreichung des gleichen Meßeffekts gewählt werden.

In Fig. 5 ist ein Diagramm der Verläufe der durch Druckän­ derungen verursachten mechanischen Spannungen ο und der daraus resultierenden Dehnungen bzw. Stauchungen ε in radi­ al unterschiedlichen Bereichen der Meßmembran 2 gezeigt. Eine Erläuterung dieses Diagramms erfolgt anhand der Be­ schreibung des Ausführungsbeispiels, insbesondere mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3.

Die Brückenwiderstände R1 und R4 der rechten Sensorhälfte 4 (vgl. Fig. 1 und 3) befinden sich im Randbereich der Meß­ membran 2 in der Nähe der mechanischen Befestigung und die Brückenwiderstände R2 und R3 befinden sich im Zentrum der Meßmembran 2. Bei einer Auslenkung bzw. Verwölbung der Meß­ membran 2 durch eine Druckerhöhung erfahren die Brückenwi­ derstände R2 und R3 im Zentrum der Meßmembran 2 eine gleichsinnige Dehnung aufgrund der radial wirkenden mecha­ nischen Spannung, was zu einer Erhöhung ihrer Widerstands­ werte (+ΔR) führt. Bei den Brückenwiderständen R1 und R4 im Randbereich erfolgt eine Stauchung durch die gegensinnige Verwölbung im Befestigungsbereich der Meßmembran 2. Eben­ falls aufgrund der radial wirkenden mechanischen Spannung führt dies zu einer Verringerung der Widerstandswerte (-ΔR) der Brückenwiderstände R1 und R4. Die dadurch erfolgte Ver­ stimmung der Meßbrücke 8 kann über die veränderte Brücken-Diagonalspannung Umr ausgewertet werden.

In der linken Sensorhälfte 3 sind die Brückenwiderstände R1 R4 (vgl. Fig. 1 und 2) identisch den entsprechenden Brücken­ widerständen R1 und R4 in der rechten Sensorhälfte 4 an­ geordnet und erfahren daher auch die gleichen Widerstand­ sänderungen. Zur Schaffung der in der Beschreibungseinlei­ tung angeführten vorteilhaften Eigenschaften sind jedoch die Brückenwiderstände R2 und R3 der Meßbrücke 7 ebenfalls im Randbereich der Druckmeßmembran 2 angeordnet und zwar derart, daß hier ein tangentialer Dehnungseffekt der Mem­ branoberfläche aufgrund der mechanischen Spannung ausgewer­ tet wird. Die mäanderförmigen Widerstandsbahnen 9 der Wi­ derstände R2 und R3 erfahren hier zwar auch eine Wider­ standserhöhung (+ΔR) durch Dehnung, jedoch sind die mecha­ nischen Wechselwirkungen zwischen einer Druckänderung (+Δp) und der Verstimmung der Brücken-Diagonalspannung Uml unter­ schiedlich zu den Wechselwirkungen auf der rechten Sensor­ hälfte 4.

Aufgrund der unterschiedlichen Auswertungen einer Druckän­ derung (Δp) in den beiden Sensorhälften 3 und 4 können so­ mit eine Vielzahl von Fehlern im Sensor 1 (bspw. durch Al­ terung, Korrosion oder Membranbruch), die ansonsten zu gleichsinnigen Änderungen der Brückenwiderständen führen und sich damit im Brücken-Offset kompensieren würden, er­ kannt werden. Die Brückenwiderstände R2 und R3 der linken Meßbrücke 7 liegen außerdem in einem mechanisch relativ we­ nig beanspruchten Bereich der Meßmembran 2, so daß die Zu­ verlässigkeit der linken Meßbrücke 7 sehr hoch ist und da­ mit auch die Notlaufeigenschaften des Sensors 1 verbessert sind.

Das Diagramm nach Fig. 5 zeigt schematisch einige typische Verläufe der mechanischen Spannung ο über dem Radius r der Meßmembran 2 und der daraus resultierenden Dehnungen/Stauchungen ε man den Brückenwiderständen R1 bis R4. In der Kurve 10 ist der Verlauf der radial wirkenden Spannung οr und in der Kurve 11 ist der Verlauf der tangential wirken­ den Spannung οt gezeigt. Die Kurve 12 stellt den Verlauf der radialen Dehnung εr und die Kurve 13 den Verlauf der tangentialen Dehnung εt mit Bezug zur rechten vertikalen Koordinatenachse dar.

Aus der Kurve 12 der Fig. 5 ist deutlich der Übergang von der starken Dehnung im Zentrum der Meßmembran 2 (r=0) zur Stauchung im Randbereich zu erkennen, hervorgerufen durch die radiale Spannung εr (Kurve 10), die aus einer Drucker­ höhung Δp resultiert. Die tangentiale Spannung οt (Kurve 11) und die daraus resultierende Dehnung εt verläuft dage­ gen wesentlich flacher und besitzt daher eine andere Abhän­ gigkeit von der Druckänderung Δp. Um jedoch nahezu gleiche Meßbereiche bei der normalen Auswertung der Brücken-Diagonalspannungen zu erhalten, können die Brückenwider­ stände R2 und R3 der linken Sensorhälfte 3 in einen Bereich der Meßmembran 2 gelegt werden, in dem eine vergleichbare Dehnung wie an den Brückenwiderständen R2 und R3 der rech­ ten Sensorhälfte 4 detektierten wird. Die günstigsten An­ ordnungsmöglichkeiten der Brückenzweige sind im Diagramm nach Fig. 5 durch kleine Kreise angedeutet, die in etwa symmetrisch (+ε1; -ε1) zum Nullpunkt der Dehnung-Stau­ chungachse ε liegen.

Claims (6)

1. Sensor,

• - mit einem Meßelement auf einer Meßmembran (2), bestehend aus mindestens einer Widerstands-Meßbrücke (7, 8), wobei sich durch eine Auslenkung der Meßmembran (2) eine Verstimmung der jeweiligen Meßbrücke (7, 8) ergibt und die daraus resultieren­ de Änderung der Brücken-Diagonalspannung auswertbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß
• - der Sensor (1) jeweils eine Widerstands-Meßbrücke (7, 8) auf jeweils einer Hälfte (3, 4) der Meßmembran (2) aufweist und daß
• - in jeder der Widerstands-Meßbrücken (7, 8) zwei sich gegen­ überliegende Brückenzweige (R1, R4) durch Stauchung und die jeweils anderen Brückenzweige (R2, R3) durch Dehnung in ihren Widerstandswerten (ΔR) verändert werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in einer ersten Widerstands-Meßbrücke (8) alle vier Brücken­ zweige (R1, R2, R3, R4) mit radial wirkende mechanische Span­ nungen (οr) auf der Meßmembran (2) beaufschlagt werden, wobei die durch Dehnung beanspruchten Brückenzweige im Zentrum der Meßmembran (2) liegen und daß
• - in der zweiten Widerstands-Meßbrücke (7), abweichend von der ersten, die Brückenzweige (R2, R3) die mit einer Dehnung beaufschlagt werden, im Randbereich der Meßmembran (2) liegen und so ausgerichtet sind, daß auf sie tangentiale mechanische Spannungen (οt) einwirken.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (R1, R2, R3, R4) der Brückenzweige Dünn­ schichtwiderstände sind, deren mäanderförmige Widerstandsbah­ nen (9) bei einer Streckung zwischen den Anschlußpunkten (5) eine Widerstandserhöhung (+ΔR) und bei einer Stauchung eine Widerstandsverringerung (-ΔR) erfahren.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dünnschichtwiderstände (R1, R2, R3, R4) aus polykristalli­ nem Silizium aufgebaut sind.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die durch tangentiale Dehnung beanspruchten Brückenzweige (R2, R3) der zweiten Meßbrücke (7) und die durch radiale Deh­ nung beanspruchten Brückenzweige (R2, R3) der ersten Meßbrücke (8) in einem Bereich zwischen dem Zentrum und dem Rand der Meßmembran (2) angeordnet sind, in dem sich bei störungsfrei­ em Betrieb des Sensors (1) eine vergleichbare Empfindlichkeit hinsichtlich der mechanischen Spannungen auf der Meßmembran (2) ergibt.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Drucksensor für die Überwachung der Druckverhältnisse in hydraulischen und/oder pneumatischen Sy­ stemen in einem Kraftfahrzeug ist.