DE4009377A1 - Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen - Google Patents
Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An
spruchs 1.
Bei einem derartigen, aus der US-PS 46 20 438 bekannten
Druckgeber sind die elektronischen Bauteile auf einer keramischen
Platte angeordnet, die in Längsrichtung des Drucksensors nach dem
Gegenlager im Gehäuse befestigt ist. Die Piezoelemente befinden sich
auf der anderen Seite des Gegenlagers. Dadurch müssen die Piezoele
mente und die elektronischen Bauteile mit Hilfe von isolierten
Drahtstücken aufwendig miteinander verbunden werden. Die Baugröße
des Drucksensors wird dadurch ferner verlängert.
Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sich die elektro
nischen Bauteile, das oder die Piezoelemente und der sich zwischen
den Piezoelementen und der Membran befindliche Stempel auf einer
einzigen keramischen Platte, einem Hybrid befindet. Dadurch können
einfache, in der Praxis erprobte Standardbondtechniken zur Verbin
dung der elektronischen Bauteile und der Piezoelemente angewendet
werden. Der gesamte Hybrid, einschließlich der elektronischen Bau
teile und der Piezoelemente, kann bereits vor dem Einbau in das Sen
sorgehäuse überprüft werden. Dadurch ist eine einfache Montage des
Drucksensors möglich. Insbesondere seine Baulänge wird verkürzt. Der
Drucksensor ist somit kostengünstig herstellbar. Aufgrund der räum
lichen Anordnung, insbesondere durch die Anordnung auf demselben Hy
brid in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander, herrscht bei den
elektronischen Bauteilen und den Piezoelementen nahezu die gleiche
Temperatur. Aufwendige Maßnahmen zur Temperaturkompensation können
dadurch entfallen. Vielmehr ist es möglich, mit Hilfe von elektroni
schen Bauteilen eine Kompensation des systematischen Temperaturgangs
der als Piezoelemente verwendeten Piezokeramiken zu ermöglichen.
Außerdem ist kein elektrischer Anschluß des Piezoelements mit dem
Gehäuse leitend verbunden, wodurch ein potentialfreier Aufbau des
Sensors möglich ist und somit das Meßsignal nahezu fehlerfrei
übertragen wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors
möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen Druckgeber.
In der einzigen Figur ist mit 10 das Gehäuse eines Drucksensors 11
zur Bestimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine be
zeichnet. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12
auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 wird
von einer Membran 14 abgeschlossen. Die Membran 14 ist als sogenann
te Kappenmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran 14 umgebo
gen ist und über das Ende des Schafts 15 des Gehäuses 10 geschoben
ist. Die Membran 14 sitzt dadurch fest am Gehäuse 10, liegt aber, um
eine Beweglichkeit der Membran 14 zu gewährleisten, nicht direkt an
der Stirnseite 16 des Schafts 15 an. Der Biegebereich der Membran 14
kann sich dadurch frei bewegen. Die Membran 14 ist im Bereich des
Randes am Schaft 15 angeschweißt. Besonders vorteilhaft ist die Mem
bran 14 aus einer Superlegierung, das heißt aus einer Legierung von
zum Beispiel ca. 50% Ni, 20% Cr, 20% Fe ausgebildet. Am mittleren
Bereich der Membran 14 liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende
an, der mit seinem anderen Ende an einem Sensorblock 19 anliegt. Der
Stempel 18 kann aus Glaskeramik bestehen, und ferner kann sich zwi
schen dem Sensorblock 19 und dem Stempel 18 eine Wärmeleitfolie be
finden. Der Sensorblock 19 besteht aus mindestens einem piezokerami
schen Element 21, zum Beispiel einer Quarzscheibe, das zwischen zwei
elektrischen Kontaktscheiben 22, 23, zum Beispiel aus dem Material
Invar, angeordnet ist. Die Kontaktflächen zwischen den Kontaktschei
ben 22, 23 und dem piezokeramischen Element 21 und dem Stempel 18
sind geklebt, wobei zum Beispiel ein hochtemperaturfester Leitkleber
verwendet werden kann. Ferner ist die Kontaktscheibe 23 auf einer
keramischen Scheibe, zum Beispiel einem Al2O3-Hybrid, aufge
klebt. Die Platte 24 ist an einem in die Bohrung 12 eingepreßten Ge
genlager 25 angeklebt. Das Gegenlager 25 weist eine etwa achsparal
lel zur Bohrung 12 verlaufende, durchgehende Bohrung 26 auf, in der
die Ableitleitung 27 von den beiden Kontaktscheiben geführt wird.
Die Leitung 27 ist in einer Tülle 29 des die Bohrung 12 abschließen
den Deckels 30 befestigt. Über die Leitung 27 werden die Meßwerte zu
einer nicht dargestellten Auswerteschaltung und Steuereinrichtung
der Brennkraftmaschine geführt. Statt einer Bohrung 12 kann auch am
Gegenlager 25 ein Segment zur Durchführung der Leitung 27 ausge
schnitten sein.
Neben dem Sensorblock 19 befinden sich auf derselben Seite der Plat
te 24 die elektronischen Bauteile 33, wie zum Beispiel Widerstände,
Transistoren, etc. Die elektronischen Bauteile 33 und die Kontakt
scheibe 22 bzw. 23 sind mit Hilfe von Bonddrähten 34 und Dick
schichtleiterbahnen 35 verbunden.
Zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Feuch
tigkeit, ist die Bohrung 12 im Bereich des Sensorblocks 19 und der
elektronischen Bauteile 33 und im Bereich zwischen dem Gegenlager 25
und dem Deckel 30 mit einer Vergußmasse 36 ausgegossen.
Die Funktion eines Druckgebers ist allgemein bekannt und hier des
halb nicht näher ausführlich erläutert. Die über die Membran 14 und
dem Stempel 18 auf dem Sensorblock 19 einwirkende Kraft erzeugt eine
durch Polarisationsänderung hervorgerufene Oberflächenladung des
piezokeramischen Elements oder des Quarzelements 21. Die Oberflä
chenladung wird als Meßsignal über die Kontaktscheiben 22, 23 abge
griffen. Da sich die elektronischen Bauteile 33 auf derselben Seite
der Platte 24 direkt in der Umgebung des Sensorblocks 19 befinden,
ist eine Meßsignalauswertung in unmittelbarer Nachbarschaft der Ge
winnung des Meßsignals möglich. Es sind nur einfache Bondverbindun
gen zwischen der Kontaktscheibe 23 und den Bauteilen 33 bzw. zwi
schen den Bauteilen 33 untereinander notwendig. Aufgrund eines rela
tiv langen Stempels 18 sind die elektronischen Bauteile 33 relativ
weit und somit geschützt vor Temperatureinflüssen vom Brennraum ent
fernt.
Ferner ist durch die erfindungsgemäße Anordnung der Bauteile 33 und
des Sensorblocks 19 auf der Platte 24 eine besonders einfache Monta
ge des Drucksensors 11 möglich. Außerhalb des Gehäuses 10 kann be
reits der Stempel 16, der Sensorblock 19, die Bauteile 33, die Plat
te 24 und das Gegenlager 25 mit den Ableitungen 27 als eine Bauein
heit vormontiert werden. Bereits außerhalb des Gehäuses 10 des
Drucksensors 11 können somit die Bauteile 33 und der Sensorblock 19
auf seine Funktionsfähigkeit hin überprüft werden. Bei der Endmonta
ge braucht somit nur noch die vormontierte, bereits überprüfte Ein
heit von einer Öffnung der Bohrung 12 her in das Gehäuse 10 einge
schoben werden, bis sie an der Membran 14 anliegt. Da das Gegenla
ger 25 in das Gehäuse 10 eingepreßt ist, ist die Einheit im Gehäu
se 10 leicht zentriert und fixiert.
Claims (9)
1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma
schinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10)
ein Sensorblock (19), bestehend aus mindestens einem piezoelektrisch
wirkenden Werkstoff (21) und mindestens einer elektrisch leitenden
Kontaktscheibe (22, 23), mindestens ein Stempel (18), ein Gegenla
ger (25), eine das Gehäuse (10) abschließende und am Stempel (18)
anliegende Membran (14) und eine elektrische Auswerteschaltung ange
ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorblock (19) und
die elektronischen Bauteile (33) der Auswerteschaltung auf einer ke
ramischen Platte (24) angeordnet sind, die wenigstens teilweise am
Gegenlager (25) anliegt, und daß die Bauteile (33) sich auf der der
Membran (14) zugewandten Seite der Platte (24) befinden.
2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elek
tronischen Bauteile (33) und die Kontaktscheiben (22, 23) des Sen
sorblocks (19) mit Hilfe von Bonddrähten (34) und Dickschichtleiter
bahnen (35) verbunden sind.
3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungsflächen zwischen der Platte (24), dem piezoelek
trischen Werkstoff (21) und den Kontaktscheiben (22, 23) geklebt
sind.
4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Platte (24) aus Al2O3 besteht.
5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß das Gegenlager (25) in das Gehäuse (10) eingepreßt ist.
6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß im Gegenlager (25) eine Bohrung (26) zur Durchführung einer
elektrischen Leitung (27) der Auswerteschaltung ausgebildet ist.
7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß am Gegenlager (25) ein abgeflachtes Segment (26) zur Durch
führung elektrischer Leitungen (27) ausgebildet ist.
8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Stempel (18) aus Glaskeramik besteht.
9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß das Gehäuse (10) im Bereich des Sensorblocks (19) und der
elektronischen Bauteile (33) mit einer Vergußmasse vergossen ist.
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