DE4022780A1 - PRESSURE SENSOR FOR DETECTING PRINTERS IN THE COMBUSTION CHAMBER OF COMBUSTION ENGINES - Google Patents

PRESSURE SENSOR FOR DETECTING PRINTERS IN THE COMBUSTION CHAMBER OF COMBUSTION ENGINES

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Abstract

In the pressure sensor (11) disclosed, a sensor element (19) made of piezo-resistive material is located in a housing (10). The resistive films (23, 25) of this piezo-resistive sensor element (19) are compressed in the direction of the current flowing through the films. When very-high-resistance paste is used for the resistive films, it is possible to produce a relatively high measuring signal.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An­ spruchs 1. Bei einem derartigen, aus der DE-OS 31 25 640.6 bekannten Druckgeber sind die piezoresistiven Meßelemente, wie zum Beispiel Dickschichtwiderstände aus Cermet, Contactiv, Plastic oder Platin auf einem Träger aufgedruckt. Das Widerstandselement und der Träger sind möglichst nahe am Druckraum angeordnet, um den dort herrschen­ den Druck bestimmen zu können. Ferner wird das Meßsignal mit Hilfe von elektrischen Leitungen zu einer außerhalb des Gehäuses des Druckgebers angeordneten elektronischen Auswerteschaltung geführt. Dadurch müssen die piezoresistiven Elemente und die elektronischen Bauteile mit Hilfe von abgeschirmten Leitungen aufwendig miteinander verbunden werden. Da das piezoresistive Meßelement direkt dem Druck ausgesetzt ist, ist es auch den im Brennraum herrschenden hohen Tem­ peraturen ausgesetzt. Die Flammen breiten sich dort mit einer Tempe­ ratur von ca. 2000°C aus, wodurch sich Verspannungen im Gehäuse ergeben können. Dadurch wird das Drucksignal durch die hohen Tempe­ raturen verfälscht. The invention is based on a pressure sensor according to the type of saying 1. In such a known from DE-OS 31 25 640.6 Pressure sensors are the piezoresistive measuring elements, such as Thick film resistors made of cermet, contactiv, plastic or platinum printed on a carrier. The resistance element and the carrier are located as close as possible to the pressure chamber around which they are located to be able to determine the pressure. Furthermore, the measurement signal with the help from electrical cables to one outside the housing of the Pressure transmitter arranged electronic evaluation circuit performed. This means the piezoresistive elements and the electronic Components with the help of shielded cables get connected. Since the piezoresistive measuring element directly the pressure exposed, it is also the high temperature prevailing in the combustion chamber exposed to temperatures. The flames spread there with a temp temperature of approx. 2000 ° C, which causes tension in the housing can result. This causes the pressure signal to go through the high tempe falsified.  

Ferner ist aus der EP-OS 85 111 895.0 ein Drucksensor bekannt, bei dem der Dickschichtwiderstand am Boden eines Trägers angeordnet ist. Dieser Drucksensor ist aber nur für die Bestimmung des Drucks in Verteilerpumpen vorgesehen. Die im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen würden auch bei dieser Ausführung das Meßsignal verfäl­ schen.Furthermore, a pressure sensor is known from EP-OS 85 111 895.0 which the thick-film resistor is arranged on the bottom of a carrier. However, this pressure sensor is only for determining the pressure in Distribution pumps provided. The high prevailing in the combustion chamber Temperatures would also falsify the measurement signal in this embodiment .

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das piezoresistive Meßelement relativ weit vom Brennraum und den dort herrschenden ho­ hen Temperaturen entfernt ist, so daß das Meßsignal nicht durch die im Brennraum herrschenden Temperaturen verfälscht wird. Durch die Anordnung des piezoresistiven Meßelements und des Hybrids auf dem Gegenlager des Stempels können in der Praxis erprobte Standardbond­ techniken zur Verbindung der elektronischen Bauteile und der Piezo­ elemente angewendet werden. Als Material für den Träger des Hybrids, der in vorteilhafter Weise gleichzeitig auch als Träger für die Dickschichtwiderstände und Halbleiterbauteile verwendet werden kann, können verschiedene angepaßte Materialien verwendet werden. Der Hy­ brid kann in einem Arbeitsgang gleichzeitig mit den Leiterbahnen und den Kontaktflächen für den piezoresistiven Effekt bedruckt werden. Der gesamte Hybrid, einschließlich der elektronischen Bauteile zur Signalaufbereitung und der piezoresistiven Elemente kann vor dem Einbau in das Sensorgehäuse überprüft werden. Dadurch ist eine ein­ fache Montage des Drucksensors möglich. Befinden sich das piezore­ sistive Meßelement und die elektronischen Bauteile auf einem ge­ meinsamen Träger und sind auf der der Membran zugewandten Seite des Gegenlagers angeordnet, so kann seine Baulänge verkürzt werden. The pressure sensor according to the invention with the characteristic features of claim 1 has the advantage that the piezoresistive Measuring element relatively far from the combustion chamber and the prevailing ho hen temperatures is removed so that the measurement signal is not by the temperatures in the combustion chamber are falsified. Through the Arrangement of the piezoresistive measuring element and the hybrid on the Counter bearings of the stamp can be tried and tested standard bonds techniques for connecting the electronic components and the piezo elements are applied. As a material for the carrier of the hybrid, which advantageously also serves as a carrier for the Thick film resistors and semiconductor devices can be used various customized materials can be used. The hy brid can be used in one operation at the same time as the conductor tracks and printed on the contact surfaces for the piezoresistive effect. The entire hybrid, including the electronic components for Signal conditioning and the piezoresistive elements can before Installation in the sensor housing can be checked. This makes one multiple mounting of the pressure sensor possible. Are the piezore sistive measuring element and the electronic components on a ge common carrier and are on the side facing the membrane Counter bearing arranged, so its length can be shortened.  

Werden die Widerstände in Richtung des durch die Widerstandsschich­ ten fließenden Stroms gedrückt, so erhält man ein besonders hohes Meßsignal. Dies ist höher als bei konventionellen Lösungen, bei der der Widerstand senkrecht zur Stromrichtung gedrückt wird. Es ist möglich, die Kraft auf eine geringe Meßfläche zu konzentrieren, um einen möglichst hohen Druck zur Erzeugung des Meßsignals bewirken zu können.The resistors are going in the direction of through the resistive layer pressed flowing current, so you get a particularly high Measurement signal. This is higher than with conventional solutions where the resistance is pressed perpendicular to the current direction. It is possible to concentrate the force on a small measuring area cause the highest possible pressure to generate the measurement signal can.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich.The measures listed in the subclaims provide for partial developments of the pressure sensor specified in claim 1 possible.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Druckgeber und Fig. 2 eine Einzel­ heit.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Fig. 1 shows a section through a pressure sensor and Fig. 2 shows a single unit.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In der Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Drucksensors 11 zur Be­ stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich­ net. 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 sogenannte Kappenmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran 14 umgebogen ist und über das Ende des Schafts 15 des Gehäuses 10 geschoben ist. Die Membran 14 sitzt dadurch fest am Gehäuse, 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 piezoresistiven Meßelement 19 anliegt. Unter piezoresistiven Meßelementen sind Elemente zu ver­ stehen, die ihren Widerstandswert unter Druckeinwirkung ändern. Hierzu können zum Beispiel Dickschichtwiderstände verwendet werden. Als Materialien können hierzu Cermet, Contactiv, Plastic oder Platin etc. Verwendung finden. Das Meßelement 19 ist auf den Träger 20 eines Hybrids 21 aufgedruckt. Unter einem Hybrid ist normalerweise ein Träger mit aufgedruckten Schaltungsteilen, wie zum Beispiel Wi­ derständen und Leiterbahnen etc. und einem IC (integrated circuit), der auf den Träger aufgesetzt ist und mit den Schaltungsteilen zum Beispiel durch Bonddrähte verbunden ist, zu versehen. Der Stempel 18 selbst kann aus Glaskeramik bestehen, um somit eine gute Wärmeiso­ lierung zwischen der Membran, das heißt zwischen dem Druckraum des­ sen Druck bestimmt werden soll und dem piezoresistiven Meßelement zu gewährleisten. Das dem Hybrid 21 zugewandte Ende des Stempels 18 kann konisch ausgebildet sein, so daß sein Ende etwa den Durchmesser des Meßelements 19 aufweist. Dadurch ist es möglich, den Stempel 18 in der Bohrung 12 zu führen, hingegen aber den Bereich der Druck­ übertragung auf die Größe des Meßelements 19 zu begrenzen. Der Trä­ ger 20 des Hybrids liegt ferner an einem in die Bohrung 12 einge­ preßten Gegenlager 22 an.In FIG. 1 the housing is a pressure sensor 11 for loading atmospheric pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine net designated by 10. It has a central, continuous, stepped bore 12 . The opening 13 of the housing 10 facing the combustion chamber is closed by a membrane 14 . The membrane 14 is designed as a so-called cap membrane, the edge of the membrane 14 being bent over and being pushed over the end of the shaft 15 of the housing 10 . The diaphragm 14 is thereby firmly seated on the housing, but, in order to ensure that the diaphragm 14 can move, is not in direct contact with the end face 16 of the shaft 15 . The bending area of the membrane 14 can thereby move freely. The membrane 14 is welded to the shaft 15 in the region of the edge. Mem membrane 14 is particularly advantageously formed from a superalloy, that is to say from an alloy of, for example, approximately 50% Ni, 20% Cr, 20% Fe. At the central area of the membrane 14 there is a plunger 18 with one end, the other end of which rests against a piezoresistive measuring element 19 . Piezoresistive measuring elements are to be understood as elements that change their resistance under pressure. Thick film resistors can be used for this purpose. Cermet, contactiv, plastic or platinum etc. can be used as materials for this. The measuring element 19 is printed on the carrier 20 of a hybrid 21 . Under a hybrid, a carrier is normally provided with printed circuit parts, such as resistors and conductor tracks, etc., and an IC (integrated circuit), which is placed on the carrier and is connected to the circuit parts, for example by bonding wires. The stamp 18 itself can be made of glass ceramic, so as to ensure good heat insulation between the membrane, that is to say between the pressure chamber of the pressure and the piezoresistive measuring element. The end of the plunger 18 facing the hybrid 21 can be conical, so that its end has approximately the diameter of the measuring element 19 . This makes it possible to guide the stamp 18 in the bore 12 , but on the other hand to limit the area of the pressure transmission to the size of the measuring element 19 . The carrier 20 of the hybrid also bears against a counter-bearing 22 pressed into the bore 12 .

Der Hybrid 21 und das Ende des Stempels 18 ist in der Fig. 2 näher dargesellt. Der Träger 20 besteht aus einer Al2O3-Substrat­ schicht, auf der eine erste Kontaktschicht 23 aufgedruckt ist. In einen nachfolgenden Druckvorgang sind auf die erste Leiterbahn 23 die piezoresistive Widerstandsschicht 24, anschließend die zweite Leiterbahn 25 aufgedruckt. Das Ende des Stempels 18 ist mit Hilfe einer glasartigen Masse auf der zweiten Leiterbahn 25 befestigt, um dadurch eine gleichmäßige Krafteinleitung auf das Widerstandselement 24 zu ermöglichen. Ferner sind auf dem Träger 20 des Hybrids 21 die elektronischen Bauteile 28, wie zum Beispiel Widerstände, Transisto­ ren, etc. angeordnet. Die elektronischen Halbleiterbauteile 28 und die Leiterbahnen sind mit Hilfe von Bonddrähten 31 verbunden. Der Ausgang der Aufbereichtungselektronik ist mit Hilfe einer Leitung 32 mit einer nicht dargestellten, außerhalb des Sensors befindlichen Auswerteschaltung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine ver­ bunden. Hierzu ist im Gegenlager 22 eine achsparallel zur Bohrung 12 verlaufende, durchgehende Bohrung 33 ausgebildet, in der die Ablei­ tung 32 geführt wird. Die Leitung 27 ist in einer Tülle 34 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 35 befestigt. Statt einer Bohrung 33 kann auch am Gegenlager 20 ein Segment zur Durchführung der Lei­ tung 32 ausgeschnitten sein.The hybrid 21 and the end of the stamp 18 are shown in more detail in FIG. 2. The carrier 20 consists of an Al 2 O 3 substrate layer on which a first contact layer 23 is printed. In a subsequent printing process, the piezoresistive resistance layer 24 , then the second conductor 25 are printed on the first conductor 23 . The end of the stamp 18 is fastened on the second conductor track 25 with the aid of a glass-like mass, in order thereby to enable a uniform introduction of force onto the resistance element 24 . Furthermore, the electronic components 28 , such as resistors, transistors, etc., are arranged on the carrier 20 of the hybrid 21 . The electronic semiconductor components 28 and the conductor tracks are connected by means of bonding wires 31 . The output of the purification electronics is connected with the aid of a line 32 to an evaluation circuit and control device of the internal combustion engine, not shown, located outside the sensor. For this purpose, an axially parallel to the bore 12 extending through bore 33 is formed in the counter bearing 22 , in which the Ablei device 32 is performed. The line 27 is fastened in a grommet 34 of the cover 35 closing the bore 12 . Instead of a bore 33 , a segment for carrying out the line 32 can also be cut out on the counter bearing 20 .

Zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen, wie z. B. Feuchtigkeit ist die Bohrung 12 im Bereich der elektronischen Bauteile 28 und/oder im Bereich zwischen dem Gegenlager 22 und dem Deckel 35 mit einer Vergußmasse 36 ausgegossen.To protect against harmful environmental influences, such as. B. Moisture, the bore 12 in the area of the electronic components 28 and / or in the area between the counter bearing 22 and the cover 35 is poured out with a casting compound 36 .

In der Fig. 2 sind die Widerstände 24 in Stromrichtung gedruckt, wobei eine sehr hochohmige Widerstandpaste verwendet werden muß. Dadurch erhält man gegenüber herkömmlichen Anordnungen ein größeres Meßsignal bei gleichbleibender Größe der eingeleiteten Kraft.In Fig. 2, the resistors 24 are printed in the current direction, a very high-resistance resistor paste must be used. Compared to conventional arrangements, this gives a larger measurement signal with a constant size of the force introduced.

Claims (8)

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma­ schinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) ein aus einem piezoresistiven Werkstoff bestehendes Sensorelement (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstands­ schichten (23, 25) des piezoresistiven Elements (19) in Richtung des durch die Widerstandsschichten fließenden Stroms gedrückt sind.1. Pressure transmitter ( 11 ) for pressure detection in the combustion chamber of internal combustion engines, in particular of motor vehicles, in the housing ( 10 ) of which a sensor element ( 19 ) consisting of a piezoresistive material is arranged, characterized in that the resistance layers ( 23 , 25 ) of the Piezoresistive element ( 19 ) are pressed in the direction of the current flowing through the resistance layers. 2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Membran (14) und dem Sensor ein Stempel (18) angeordnet ist, der den Druck auf das Element einleitet, und daß sich der Sensor und ein Hybrid (21) mit seinem Träger (20) und den darauf angeordneten elektronischen Bauteilen (28) der Auswerteschaltung auf dem Gegenla­ ger (22) des Stempels (18) befinden.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that a stamp ( 18 ) is arranged between a membrane ( 14 ) and the sensor, which initiates the pressure on the element, and that the sensor and a hybrid ( 21 ) with its carrier ( 20 ) and the electronic components ( 28 ) arranged thereon of the evaluation circuit on the counter bearing ( 22 ) of the stamp ( 18 ). 3. Druckgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ele­ ment (19) auf dem Träger (20) des Hybrids (21) angeordnet ist.3. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the ele ment ( 19 ) on the carrier ( 20 ) of the hybrid ( 21 ) is arranged. 4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hybrid (21) auf der dem Stempel zugewandten Seite des Gegenlagers (22) angeordnet ist.4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the hybrid ( 21 ) is arranged on the side facing the stamp of the counter-bearing ( 22 ). 5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger (20) des Hybrids (21) aus Al2O3 besteht.5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carrier ( 20 ) of the hybrid ( 21 ) consists of Al 2 O 3 . 6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektronischen Bauteile (28) mit Hilfe von Bond­ drähten (31) und Dickschichtleiterbahnen verbunden sind. 6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electronic components ( 28 ) with the aid of bond wires ( 31 ) and thick-film conductor tracks are connected. 7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stempel (18) aus Glaskeramik besteht.7. Pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the stamp ( 18 ) consists of glass ceramic. 8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gegenlager (22) in das Gehäuse (10) eingepreßt ist.8. Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the counter bearing ( 22 ) in the housing ( 10 ) is pressed.
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