DE4419138A1 - Hochtemperaturdrucksensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hoch
temperaturdrucksensor, der vorzugsweise zum Erfassen des
Drucks des Verbrennungsgases in einem Zylinder einer Brenn
kraftmaschine verwendet wird.
In Fig. 10(A) ist ein Beispiel eines herkömmlichen Hoch
temperaturdrucksensors dargestellt. Dieser herkömmliche
Drucksensor umfaßt ein Gehäuse 1a mit einer von einer zy
lindrischen Wand 10a umgebenen Bohrung 10b, ein in der Boh
rung 10b vorgesehenes Durchbiegungs-Fühlerelement 6a, eine
Membran 2a, deren Umfangsende zum Verschließen der Öffnung
der Bohrung 10b an der zylindrischen Wand 10a befestigt ist
und die in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand
10a biegbar ist, wenn der Druck eines eine hohe Temperatur
aufweisenden Fluids auf ihre Oberfläche (nämlich die Druck
fühlungsfläche) A einwirkt, sowie Druckübertragungsteile 7a
und 8a, welche die Durchbiegung der Druckfühlungsfläche A
auf das Durchbiegungs-Fühlerelement 6a übertragen. Ein der
artiger Hochtemperaturdrucksensor ist beispielsweise in der
ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Nummer Hei
4-290937/1992 offenbart.
Die vordere bzw. äußere Oberfläche A der Membran 2a ist
beispielsweise einem Verbrennungsgas ausgesetzt, während
ihre hintere bzw. innere Oberfläche B der im Gehäuse 1a
vorgesehenen Bohrung 10b gegenüberliegt. Aufgrund der Tem
peraturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B, die dann
auftritt, wenn die Membran 2a Wärmeenergie aus dem Verbren
nungsgas aufnimmt, tritt in der Oberfläche A eine größere
Wärmeausdehnung als in der Oberfläche B auf. Die Membran 2a
wölbt sich daher gemäß der Darstellung in Fig. 10(B) nach
außen (nämlich zu einem Verbrennungsraum hin).
Die entsprechende Durchbiegung wird über die Übertra
gungsteile 7a und 8a auf das Durchbiegungs-Fühlerelement 6a
übertragen, was zu entsprechenden Fehlern im Ausgangssignal
führt. Die Meßgenauigkeit wird folglich verschlechtert.
Da die Temperaturdifferenz in Abhängigkeit vom jeweili
gen Betriebszustand des Motors in weiten Bereichen
schwankt, ist es sehr schwierig, die auf die Temperaturdif
ferenz zwischen den Oberflächen A und B zurückzuführende
Durchbiegung der Druckfühlungsfläche auszuschalten.
In Fig. 11 ist die bei dem in Fig. 10 gezeigten Hochtem
peraturdrucksensor auftretende Beziehung zwischen der je
weiligen Motordrehzahl und der maximalen Oberflächentempe
ratur der Membran 2a gezeigt, wobei eine der beiden Kennli
nien einem großen und die andere einem kleinen Motorlastzu
stand entspricht. In Fig. 12 ist die Beziehung zwischen dem
Kurbelwellenwinkel und der Oberflächentemperatur der Mem
bran 2a bei einer vorbestimmten Motordrehzahl sowohl für
den hohen als auch für den niedrigen Motorlastzustand dar
gestellt. Aus den Fig. 11 und 12 ist zu erkennen, daß
die Temperatur der Oberfläche A der Membran 2a in Abhängig
keit von den Motordrehzahlen, den Motorbelastungen und den
Kurbelwellenwinkeln in weiten Bereichen schwankt.
In Fig. 13 ist die Änderung eines tatsächlichen Sensor
ausgangssignals (durchgezogene Linie) und die Änderung ei
nes tatsächlichen Zylinderdrucks (gestrichelte Linie) wäh
rend eines vollständigen Verbrennungszyklus dargestellt.
Wie aus Fig. 13 hervorgeht, ist das Sensorausgangssignal
aufgrund des negativen Einflusses der auf die Temperatur
differenz zwischen den Oberflächen A und B zurückzuführen
den Durchbiegung der Membran 2a kleiner als der tatsächli
che Zylinderdruck. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der
Druck des Verbrennungsgases allgemein als Kompressions- bzw.
Druckkraft auf das Durchbiegungs-Fühlerelement 6a ein
wirkt, während die thermische Durchbiegung der Membran 2a
diese Druckkraft in unerwünschter Weise verringert.
Die Temperatur der Oberfläche A ändert sich in starkem
Maße in Abhängigkeit von einer jeweiligen Temperaturände
rung des Verbrennungsraums, die ihrerseits von der Motor
drehzahl, der Motorbelastung und dem Kurbelwellenwinkel ab
hängt. Die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A
und B ändert sich somit ebenfalls in starkem Maße in Abhän
gigkeit von der Motordrehzahl, der Motorbelastung und dem
Kurbelwellenwinkel.
Die Temperatur der Oberfläche A ändert sich ebenfalls
in Abhängigkeit von der Menge des auf der Oberfläche A an
gesammelten Rußes.
Angesichts dieser beim Stand der Technik auftretenden
Probleme liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde,
einen Hochtemperaturdrucksensor zu schaffen, der sehr genau
ist und mittels dem ein auf eine thermische Durchbiegung
der Membran des Sensors zurückzuführender Meßfehler verrin
gert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kenn
zeichnungsteil des Anspruchs 1 bzw. 12 angegebenen Maßnah
men gelöst.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird
demnach ein Hochtemperaturdrucksensor mit folgenden Merkma
len vorgeschlagen: einem Gehäuse mit einer von einer zylin
drischen Wand umgebenen Bohrung; einem in der Bohrung vor
gesehenen Durchbiegungs-Fühlerelement; einem eine Öffnung
der Bohrung verschließenden Membranabschnitt, dessen Um
fangsende an der zylindrischen Wand befestigt ist und der
eine in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand
durchbiegbare Druckeinwirkungsfläche aufweist; und einem
zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbiegungs-Füh
lerelement angeordneten Druckübertragungsteil zum Übertra
gen der Durchbiegung der Druckeinwirkungsfläche zum Durch
biegungs-Fühlerelement. Dieser Drucksensor ist dadurch ge
kennzeichnet, daß der Membranabschnitt in einen zentralen
Bodenabschnitt und einen äußeren Umfangsabschnitt unter
teilt ist, wobei der zentrale Bodenabschnitt gegenüber dem
äußeren Umfangsabschnitt zurückspringt bzw. als Ausnehmung
ausgebildet ist.
Bei dem Hochtemperaturdrucksensor gemäß diesem ersten
Gesichtspunkt der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der
zentrale Bodenabschnitt und der äußere Umfangsabschnitt
flache Oberflächen aufweisen, die parallel zueinander ver
laufen.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der zentrale Bereich
und der äußere Bereich über einen konisch verlaufenden Be
reich miteinander verbunden sind. Die Dicke des konisch
verlaufenden Bereichs sollte nicht größer als diejenige des
zentralen Bereichs oder des äußeren Bereichs sein.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der zentrale Boden
abschnitt symmetrisch um eine zentrale Achse des Membranab
schnitts verläuft.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das Drucküber
tragungsteil mit dem zentralen Bodenabschnitt an einem
Punkt in Kontakt gebracht wird.
Ferner ist es anzustreben, ein Wärmeisolierteil vorzu
sehen, um die Druckeinwirkungsfläche des Membranabschnitts
abzuschirmen.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird
ein Hochtemperaturdrucksensor mit folgenden Merkmalen vor
geschlagen: einem Gehäuse mit einer von einer zylindrischen
Wand umgebenen Bohrung; einem in der Bohrung vorgesehenen
Durchbiegungs-Fühlerelement; einem eine Öffnung der Bohrung
verschließenden Membranabschnitt, dessen Umfangsende an der
zylindrischen Wand befestigt ist und der eine in einer
axialen Richtung der zylindrischen Wand durchbiegbare
Druckeinwirkungsfläche aufweist; und einem zwischen dem
Membranabschnitt und dem Durchbiegungs-Fühlerelement ange
ordneten Druckübertragungsteil zum Übertragen der Durchbie
gung der Druckeinwirkungsfläche zum Durchbiegungs-Fühlere
lement. Dieser Drucksensor ist durch ein Wärmeisolierteil
zum Abschirmen der Druckeinwirkungsfläche des Membranab
schnitts gekennzeichnet.
Bei dem Hochtemperaturdrucksensor gemäß diesem zweiten
Gesichtspunkt der Erfindung ist es von Vorteil, wenn das
Wärmeisolierteil eine scheibenförmige Platte ist, die auf
einem vom Zentrum der Druckeinwirkungsfläche hervorsprin
genden Stilabschnitt befestigt ist, oder auch eine Kappe
bzw. Abdeckung mit einer zylindrischen Wand, die eine Viel
zahl von Öffnungen aufweist, und mit dem Umfangsende des
Membranabschnitts gekoppelt ist, oder auch eine Wärmeiso
lierschicht, die auf der Druckeinwirkungsfläche aufge
schichtet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich
nung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 anhand einer Querschnittsansicht ein ers
tes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtem
peraturdrucksensors;
Fig. 2(A) bis 2(H) anhand von Schnittansich
ten jeweilige Verfahrensschritte bei der Herstellung
eines Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements;
Fig. 3 in einer vergrößerten Querschnittsansicht
einen wesentlichen Teil des Membranabschnitts bei die
sem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den in Fig. 3 gezeig
ten Teil;
Fig. 5 anhand einer vergrößerten Querschnittsan
sicht einen wesentlichen Teil des Membranabschnitts bei
diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 anhand einer Querschnittsansicht ein
zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch
temperaturdrucksensors;
Fig. 7 anhand einer Querschnittsansicht ein
drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch
temperaturdrucksensors;
Fig. 8 anhand einer Querschnittsansicht ein
viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch
temperaturdrucksensors;
Fig. 9 anhand einer Querschnittsansicht ein
fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hoch
temperaturdrucksensors;
Fig. 10(A) anhand einer Querschnittsansicht ei
nen herkömmlichen Hochtemperaturdrucksensor;
Fig. 10(B) anhand einer Teilquerschnittsansicht
einen Ausschnitt des in Fig. 10(A) gezeigten Hochtempe
raturdrucksensors;
Fig. 11 in einer graphischen Darstellung die Be
ziehung zwischen der Motordrehzahl und der Membran-
Oberflächentemperatur bei dem in Fig. 10(A) gezeigten
Sensor;
Fig. 12 in einer graphischen Darstellung die Be
ziehung zwischen dem Kurbelwellenwinkel und der Mem
bran-Oberflächentemperatur bei dem in Fig. 10(A) gezeig
ten Sensor; und
Fig. 13 in einer graphischen Darstellung die Be
ziehung zwischen dem Kurbelwellenwinkel und dem Sensor
ausgangssignal bei dem in Fig. 10(A) gezeigten Sensor.
In Fig. 1 ist in einer Querschnittsansicht ein erfin
dungsgemäßer Hochtemperaturdrucksensor gezeigt, der am Mo
torblock einer Brennkraftmaschine montiert ist.
Dieser Hochtemperaturdrucksensor weist ein Gehäuse 1
auf, das aus einem rostfreien Zylinder mit offenen Enden
besteht, der eine äußere Schraubfläche aufweist, die in ein
in einem Zylinderkopf 100 des Motorblocks vorgesehenes Ge
windeloch 100a eingeschraubt ist. Das Gehäuse 1 weist ein
Basisende 11 mit einem einen größeren Durchmesser aufwei
senden Abschnitt auf. Wenn das Gehäuse 1 fest in das Gewin
deloch 100a eingeschraubt wird, wird dieses Basisende 11
über eine Dichtung 110 gegen eine äußere Fläche 100b des
Zylinderkopfs 100 gepreßt, wodurch zwischen dem Gehäuse 1
und dem Zylinderkopf 100 eine Gasdichtheit geschaffen wird.
Das Gehäuse 1 weist ein offenes Ende auf, das einem
Verbrennungsraum C gegenüberliegt bzw. zu diesem hingewandt
ist. Eine Edelstahltasse bzw. -kappe 2 mit einem Boden 20
und einer zylindrischen Wand 22 mit dünner Wandstärke ist
über dieses offene Ende eingefügt und mit Hilfe von
Schweißnähten W mit dem Gehäuse 1 am Umfangsende des Bodens
20 verschweißt. Der Innenraum des Gehäuses 1, d. h. also ei
ne Bohrung 13, ist daher gegenüber dem Verbrennungsraum C
abgedichtet. Der Boden 20 weist einen zurückspringenden
bzw. Ausnehmungsabschnitt 21 auf und ist in einer scheiben
förmigen Gestalt ausgebildet. Die Oberfläche des Bodens 20
liegt dem Verbrennungsraum C gegenüber und ist in einer
axialen Richtung der zylindrischen Wand 22 biegbar bzw.
verformbar, wenn der Druck des eine hohe Temperatur aufwei
senden Fluids aus dem Verbrennungsraum C auf sie einwirkt.
Der Boden 20 hat daher die Funktion eines Membranab
schnitts, der bei der Erfindung als Druckeinwirkungsfläche
dient.
Der Vertiefungs- bzw. Ausnehmungsabschnitt 21 ist im
Zentrum des Membranabschnitts 20 angeordnet. Insbesondere
ist der Ausnehmungsabschnitt 21 grob in einen zentralen Bo
denabschnitt und einen äußeren Umfangsabschnitt unterteilt.
Der zentrale Bodenabschnitt entspricht dem Ausnehmungsab
schnitt 21, der von der Verbrennungskammer C in axialer
Richtung zurückspringt.
Ein Stopfen bzw. Halter 4 in Form einer metallischen
Rundstange ist durch eine Öffnung der Kappe 2 eingefügt und
an der Innenfläche der zylindrischen Wand 22 angeschweißt.
Der Halter 4 weist eine Vielzahl von Durchgangslöchern auf,
die sich in axialer Richtung der zylindrischen Wand 22 er
strecken. Ein metallischer Elektrodenstift (harter Stift)
ist unter hermetischer Abdichtung in jedes Durchgangsloch
eingefügt. Der Halter 4 und die Kappe 2 definieren daher
gemeinsam einen hermetischen bzw. luftdicht abgeschlossenen
Raum S, d. h. die Bohrung 13.
Der Halter 4 weist eine dem hermetisch abgedichteten
Raum S zugewandte Endfläche auf. Ein Halbleiter-Durchbie
gungs-Fühlerelement 6 wie beispielsweise ein piezoelektri
sches Keramikelement ist auf die Endfläche des Halters 4
aufgeklebt. Das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6
stellt das erfindungsgemäße Durchbiegungs-Fühlerelement
dar.
Eine keramische Rundstange 7 und ein pilzförmiges Me
tallteil 8 sind in Reihe miteinander verbunden und zwischen
dem Membranabschnitt 20 und dem Halbleiter-Durchbiegungs-
Fühlerelement 6 angeordnet. Das pilzförmige Teil 8 weist an
seinem Boden eine flache Endfläche auf, die an die Oberflä
che eines stabförmigen Wafers (der später näher beschrieben
wird) des Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 ange
klebt ist. Das pilzförmige Teil 8 weist an seinem Kopf eine
halbkugelförmige Fläche auf, die an eine Endfläche (nämlich
eine in Fig. 1 gezeigte untere Endfläche) der Rundstange 7
angeklebt ist. Die andere Endfläche der Rundstange 7 ist an
die hintere Fläche, d. h. eine konvexe Oberfläche, des Aus
nehmungsabschnitts 21 angeklebt.
Da die halbkugelförmige Fläche des pilzförmigen Teils 8
an ihrem obersten Punkt, der das radiale Zentrum des pilz
förmigen Teils 8 darstellt, mit der Rundstange 7 in Kontakt
gebracht ist, kann eine aus dem Membranabschnitt 20 über
die Rundstange 7 wirkende Kraft an einer Achse des pilzför
migen Teils 8 aufgenommen werden. Die Rundstange 7 und das
pilzförmige Teil 8 haben bei der Erfindung die Funktion ei
nes Druckübertragungsteils, das zwischen dem Membranab
schnitt 20 und dem Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6
angeordnet ist, um die Durchbiegung der Druckeinwirkungs
fläche A des Membranabschnitts 20 auf das Halbleiter-Durch
biegungs-Fühlerelement 6 zu übertragen. Der Membranab
schnitt 20, die Rundstange 7, das pilzförmige Teil 8 und
das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 werden durch
eine vorbestimmte Kompressions- bzw. Druckkraft zusammenge
halten, die sich aus der Durchbiegung des Membranabschnitts
20 ergibt, wodurch ihre gegenseitige Verbindungskraft er
höht wird. Da die Rundstange 7 aus Keramikmaterial wie bei
spielsweise Aluminiumoxid hergestellt ist, kann die Menge
der zum Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 übertrage
nen Wärme deutlich verringert werden. Das den größeren
Durchmesser aufweisende Basisende 11 des Gehäuses 1 weist
einen Innenraum auf, der einen Behälter 9 beherbergt, der
eine (nicht gezeigte) Verstärkungsschaltvorrichtung ent
hält, mittels der ein Ausgangssignal des Halbleiter-Durch
biegungs-Fühlerelements 6 verstärkt wird.
Ein Ende jedes metallischen Elektrodenstifts 5 ist mit
einer entsprechenden Ausgangselektrode des Halbleiter-
Durchbiegungs-Fühlerelements 6 drahtbondiert bzw. kontak
tiert. Das andere Ende des metallischen Elektrodenstifts 5
ist in den Behälter 9 geführt und an einer entsprechenden
Elektrode der Verstärkungsschaltvorrichtung angelötet.
Das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 wird nach
folgend in näheren Einzelheiten erläutert.
In den Fig. 2(A) bis 2(H) sind jeweilige Verfahrens
schritte zur Herstellung eines derartigen Halbleiter-Durch
biegungs-Fühlerelements 6 dargestellt. Gemäß der Darstel
lung in Fig. 2(A) hat ein eine Kristallachse bzw. -Orientie
rung von <110< aufweisender Siliziumwafer (d. h. ein Lehren- bzw.
Meßwafer) 60 mit n⁻-Leitfähigkeit eine Oberfläche mit
einem Bereich 61, der als Piezowiderstand dient, welcher
durch ein Maskenmuster 62 definiert ist.
Der Bereich 61 wird einer Ioneninjektion bzw. Ionenim
plantation unterzogen, um eine Diffusion und eine Aktivie
rung hervorzurufen, womit ein Durchbiegungs-Fühlerabschnitt
6a gebildet wird, der eine Wheatstonebrücke aus Piezowider
standsmaterial ist; siehe hierzu die Darstellung in
Fig. 2(B). Ein aus Siliziumoxidfilm hergestellter Schutzfilm
63 wird daraufhin gemäß der Darstellung in Fig. 2(C) auf der
oberen Oberfläche des Wafers 60 mittels eines thermischen
Oxidationsverfahrens ausgebildet.
Daraufhin wird gemäß der Darstellung in Fig. 2(D) ein
Wafer (d. h. ein Stabwafer) 64 mit einer Kristallachse von
<110< vorbereitet. Anschließend werden beide Wafer 60 und 64
gemäß der Darstellung in Fig. 2(E) in einer sauberen Atmo
sphäre direkt miteinander verbunden bzw. verklebt.
Anschließend wird gemäß der Darstellung in Fig. 2(F) ein
scheibenförmiges Maskenmuster 65 auf die obere Oberfläche
des Stabwafers 64 gesetzt. Indem der Stabwafer 64 einer
anisotropen Ätzung unterzogen wird, werden gemäß der Dar
stellung in Fig. 2(G) eine Vielzahl von Stäben 66 ausgebil
det. Mittels eines Photolitographieverfahrens werden in der
Nachbarschaft jedes Stabs 66 Aluminiumelektroden 67 ausge
bildet. Nach einem würfelartigen Zerteilen bzw. Dicen wird
schließlich ein Chip erhalten. Es sei darauf hingewiesen,
daß das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 auch mit
anderen bekannten Verfahren anstelle des vorstehend be
schriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieses Hochtempera
turdruckfühlers näher erläutert.
Wenn in dem Zylinderkopf 100 des Motors eine Explosion
auftritt, wirkt die dadurch hervorgerufene Druckwelle auf
den Membranabschnitt 20 ein. Die entsprechende Durchbiegung
des Membranabschnitts 20 wird über die Rundstange 7 und das
pilzförmige Teil 8 auf das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühle
relement 6 übertragen. Im Ansprechen auf die jeweilige
Größe der übertragenen Durchbiegung erzeugt das Fühlerele
ment 6 seinerseits ein Brücken-Ausgangssignal. Das Brücken-
Ausgangssignal wird daraufhin der Verstärkungsschaltvor
richtung zugeführt, welche dieses Signal verstärkt und
schließlich den jeweils zugeordneten Vorrichtungen zuführt.
Nunmehr wird die Funktion und Wirkungsweise des erfin
dungsgemäßen Membranabschnitts 20 näher erläutert.
Da der kreisförmige bzw. runde Membranabschnitt 20 an
seinem radialen Zentrum die Ausnehmung 21 aufweist, kann
die Wärmeausdehnung des Membranabschnitts 20 hin zum Ver
brennungsraum C wirksam unterdrückt werden. Dieser Mecha
nismus wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 3 im einzelnen
erläutert. Der Membranabschnitt 20 weist eine vordere bzw.
äußere Fläche (d. h. die Druckeinwirkungsfläche) A, die dem
Verbrennungsraum C zugewandt ist, und eine hintere bzw. in
nere Fläche B auf, die der Bohrung 13 (d. h. dem hermetisch
abgedichteten Raum S) zugewandt ist. Der Membranabschnitt
20 weist einen zentralen Bodenabschnitt 2c und einen äuße
ren Umfangsabschnitt 2b auf, deren Oberflächen flach sind
und parallel zueinander verlaufen. Diese flachen Abschnitte
bzw. Bereiche 2b und 2c sind über einen konischen bzw.
schräg verlaufenden Abschnitt 2d miteinander verbunden. Der
Ausnehmungsabschnitt 21 wird somit durch den zentralen Bo
denabschnitt 2c, der als Boden des Ausnehmungsabschnitts 21
dient, und durch den konischen Abschnitt 2d gebildet, der
als geneigte Wand des Ausnehmungsabschnitts 21 dient. Der
am vorderen Ende des Membranabschnitts angeordnete äußere
Umfangsabschnitt 2b hat eine Dicke t₁ und der zentrale Bo
denabschnitt 2c hat eine Dicke t₂. Der konische Abschnitt
2d hat eine Dicke t₃, die nicht größer als die jeweilige
Dicke t₁ und t₂ des äußeren Umfangsabschnitts 2b bzw. des
zentralen Bodenabschnitts 2c ist. Somit gilt die Beziehung:
t₃ t₁ und t₃ t₂.
Die vordere Oberfläche bzw. Frontfläche A des Membra
nabschnitts 20 ist im Vergleich zur Oberfläche B einer re
lativ starken thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Wenn
der Membranabschnitt 20 erwärmt wird, nimmt die Temperatur
differenz zwischen den Oberflächen A und B zu, was zu einer
Wärmeausdehnung der Oberfläche A in Bezug zur Oberfläche B
führt. Der äußere Umfangsabschnitt 2b steht daher entlang
des durchgezogenen Pfeils X zum Verbrennungsraum C hin her
vor. Der zentrale Bodenabschnitt 2c hat demgegenüber das
Bestreben, entlang des gestrichelten Pfeils Y zum Verbren
nungsraum C hin hervorzuragen, wodurch eine eine konvexe
Form aufweisende Verformung hervorgerufen wird, die zum
Verbrennungsraum C hinweist, wie dies durch die gestri
chelte Linie in Fig. 3 angedeutet ist. Da das Hervorragen
bzw. die Auswärtsbewegung des zentralen Bodenabschnitts 2c
durch die Rückwärtsverschiebung bzw. Einwärtsbewegung des
zentralen Bodenabschnitts 2c selbst ausgeglichen wird, ist
es jedoch möglich, den Betrag der Vorwärtsbewegung des Zen
trums des zentralen Bodenabschnitts 2c (d. h. am radialen
Zentrum des Ausnehmungsabschnitts 21) bis auf den Wert Null
zu unterdrücken. Mit anderen Worten, die in der mit Z be
zeichneten Richtung verlaufende Wärmeausdehnung des koni
schen Abschnitts 2d absorbiert die in der mit Y bezeichneten
Richtung verlaufende Wärmeausdehnung des zentralen Bodenab
schnitts 2c. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der koni
sche Abschnitt 2d eine relativ größere Wärmeausdehnung als
die flachen Abschnitte 2b und 2c bewirkt, da die Dicke t₃
des konischen Abschnitts 2d nicht größer als die jeweilige
Dicke t₁ und t₂ der flachen Abschnitte 2b und 2c ist. Mit
der gestrichelten Linie ist in Fig. 3 ein Wärmeausdehnungs
zustand des Membranabschnitts 20 angedeutet.
Das vordere Ende der Rundstange 7 wird erfindungsgemäß
mit dem radialen Zentrum des Ausnehmungsabschnitts 21, das
gegenüber der Wärmeausdehnung am stabilsten bzw. unempfind
lichsten ist, in Kontakt gebracht. Die Rundstange 7 ist da
her von einer negativen Auswirkung der Temperaturdifferenz
zwischen den Oberflächen A und B nahezu völlig unbeein
flußt. Das erfindungsgemäße Halbleiter-Durchbiegungs-Fühle
relement 6 kann daher eine hohe Meßgenauigkeit aufrechter
halten. Der Ausnehmungsabschnitt 21 hat gemäß der Darstel
lung in Fig. 4 eine kreisförmige bzw. runde Gestalt, die
symmetrisch um eine zentrale Achse des Membranabschnitts 20
verläuft. Jedoch ist es möglich, den Membranabschnitt in
irgendeiner anderen Form auszubilden, wie beispielsweise
mit einer rechteckförmigen oder sternförmigen Gestalt, so
lange diese Gestalt symmetrisch zur zentralen Achse des
Membranabschnitts 20 ist.
In Fig. 5 ist ein modifiziertes Druckübertragungsteil 70
gezeigt, das einen halbkugelförmigen Kopf aufweist, der die
hintere Oberfläche B des Ausnehmungsabschnitts 21 an einem
zentralen Punkt kontaktiert. Das Druckübertragungsteil 70
kann daher auf sichere Weise mit dem radialen Zentrum des
Ausnehmungsabschnitts 21 in Kontakt gebracht werden. Eine
negative Auswirkung der Temperaturdifferenz zwischen den
Oberflächen A und B kann folglich noch besser unterdrückt
werden. In entsprechender Weise ist es möglich, die Meßge
nauigkeit des Sensors weiter zu verbessern.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 ein zweites
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperatur
drucksensors näher erläutert.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel hat ein Membra
nabschnitt 200 in Übereinstimmung mit dem in Fig. 10(A) ge
zeigten herkömmlichen Membranabschnitt 2a selbst keinen
Ausnehmungsabschnitt, sondern statt dessen einen einen ge
ringeren Durchmesser aufweisenden Schaft bzw. Stil 201, der
integral auf der Oberfläche A des Membranabschnitts 200 an
dessen radialem Zentrum ausgebildet ist. An der Spitze die
ses Stils 201 ist eine scheibenförmige Wärmeisolierplatte
202 integral ausgebildet, die sich parallel zur Oberfläche
A des Membranabschnitts 200 erstreckt. Die Fläche der Wär
meisolierplatte 202 ist identisch zu der des Membranab
schnitts 200.
Mittels dieser Anordnung wird verhindert, daß der Mem
branabschnitt 200 der von dem Verbrennungsgas ausgesendeten
Wärmestrahlung direkt ausgesetzt ist. Wenn sich die Tempe
ratur des Verbrennungsgases aufgrund verschiedener Motorbe
triebszustände ändert, kann als Folge davon die Temperatur
änderung der Oberfläche A des Membranabschnitts 200 bis auf
einen relativ kleinen Bereich unterdrückt werden. Der Be
trag der Durchbiegung des Membranabschnitts 200 kann daher
verringert werden und der Ausgangssignalfehler des Halblei
ter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 kann verringert werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 ein drittes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperatur
drucksensors näher erläutert.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel weist ein Mem
branabschnitt 210 in gleicher Weise wie der Membranab
schnitt 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen Ausneh
mungsabschnitt auf. Der Membranabschnitt 210 weist weiter
hin einen einen kleineren Durchmesser aufweisenden Stil 211
auf, der vom radialen Zentrum der Oberfläche A des Membra
nabschnitts 210 hervorragt. An der Spitze dieses Stils 211
ist eine scheibenförmige Wärmeisolierplatte 212 ausgebil
det, die sich parallel zur Oberfläche A des Membranab
schnitts 210 erstreckt. Die Fläche der Wärmeisolierplatte
212 ist identisch mit der des Membranabschnitts 210.
Mittels einer derartigen Anordnung können die vorteil
haften Wirkungen der ersten beiden Ausführungsbeispiele ge
meinsam genutzt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 ein viertes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperatur
drucksensors näher erläutert.
Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel weist ein Mem
branabschnitt 220 in gleicher Weise wie der Membranab
schnitt 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen Ausneh
mungsabschnitt auf. Der Membranabschnitt 220 ist von einer
rostfreien Wärmeisolierkappe bzw. -Abdeckung 221 bedeckt.
Das Umfangsende des Membranabschnitts 220 ist mit dem offe
nen zylindrischen Ende der Wärmeisolierkappe 221 gekoppelt.
Eine Vielzahl von Verbrennungsgas-Einlaß/Auslaß-Öffnungen
222 sind an der dünnen zylindrischen Wand der Wärmeisolier
kappe 221 vorgesehen, so daß die Oberfläche A der Membran
220 dem Verbrennungsgas innerhalb des Verbrennungsraums
ausgesetzt werden kann. Mittels dieser Anordnung wird ver
hindert, daß der Membranabschnitt 220 die vom Verbrennungs
gas ausgesendete Strahlungsenergie direkt aufnimmt. Wenn
sich die Temperatur des Verbrennungsgases aufgrund ver
schiedener Motorbetriebszustände ändert, kann folglich die
Temperaturänderung der Oberfläche A des Membranabschnitts
220 bis auf einen relativ kleinen Bereich unterdrückt wer
den. Der Betrag der Durchbiegung des Membranabschnitts 220
wird daher verhindert und der Ausgangssignalfehler des
Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 kann verringert
werden.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 ein fünftes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperatur
drucksensors näher erläutert.
Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel weist ein Mem
branabschnitt 230 in gleicher Weise wie der Membranab
schnitt 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen Ausneh
mungsabschnitt auf. Die Oberfläche A des Membranabschnitts
230 ist durch eine Wärmeisolierschicht 231 aus Keramikmate
rial (wie beispielsweise Aluminiumoxid) beschichtet. Mit
tels dieser Anordnung wird auf gleiche Weise wie bei den
zweiten bis vierten Ausführungsbeispielen verhindert, daß
der Membranabschnitt 230 die vom Verbrennungsgas ausgesen
dete Strahlungsenergie direkt empfängt.
Bezüglich noch weiterer Wirkungen und Vorteile der Er
findung wird ausdrücklich auf den Offenbarungsgehalt der
Figuren verwiesen.
Vorstehend wurde ein Hochtemperaturdrucksensor offen
bart, bei dem in einem Membranabschnitt eine Durchbiegung
hervorgerufen wird, wenn auf die Druckfühlerfläche des Mem
branabschnitts der Druck eines eine hohe Temperatur aufwei
senden Fluids einwirkt. Diese Durchbiegung wird über Druck
übertragungsteile zu einem Ablenkungs-Erfassungsteil über
tragen, das im Ansprechen auf den empfangenen Druck ein
elektrisches Signal erzeugt. Der Membranabschnitt weist er
findungsgemäß an seinem Zentrum einen Ausnehmungsabschnitt
auf. Der Ausnehmungsabschnitt verläuft symmetrisch um eine
zentrale Achse des Membranabschnitts. Ein spitzes Ende des
Druckübertragungsteils ist mit dem Ausnehmungsabschnitt an
einem zentralen Punkt in Kontakt gebracht. Ein konischer
Abschnitt der Membran weist eine Dicke auf, die nicht grö
ßer als die Dicke eines äußeren Umfangsabschnitts oder die
Dicke eines zentralen Bodenabschnitts ist. Darüber hinaus
kann auf der Membran eine Wärmeisolierplatte vorgesehen
werden, um die Oberfläche des Membranabschnitts vor der
Wärmestrahlung des eine hohe Temperatur aufweisenden Fluids
zu schützen.
Claims (18)
1. Hochtemperaturdrucksensor, mit:
einem Gehäuse (1) mit einer von einer zylindrischen
Wand (22) umgebenen Bohrung (13);
einem in der Bohrung vorgesehenen Durchbiegungs-Füh lerelement (6);
einem eine Öffnung der Bohrung verschließenden Mem branabschnitt (20), dessen Umfangsende an der zylindrischen Wand befestigt ist und der eine Druckeinwirkungsfläche (A) aufweist, die in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand biegbar ist; und
einem zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbie gungs-Fühlerelement angeordneten Druckübertragungsteil (7, 8) zum Übertragen der Durchbiegung der Druckeinwirkungsfläche zum Durchbiegungs-Fühlerelement;
dadurch gekennzeichnet, daß der Membranabschnitt in einen zentralen Bodenabschnitt (21) und einen äußeren Um fangsabschnitt (20) unterteilt ist, wobei der zentrale Bo denabschnitt bezüglich des äußeren Umfangsabschnitts zu rückversetzt ist.
einem in der Bohrung vorgesehenen Durchbiegungs-Füh lerelement (6);
einem eine Öffnung der Bohrung verschließenden Mem branabschnitt (20), dessen Umfangsende an der zylindrischen Wand befestigt ist und der eine Druckeinwirkungsfläche (A) aufweist, die in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand biegbar ist; und
einem zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbie gungs-Fühlerelement angeordneten Druckübertragungsteil (7, 8) zum Übertragen der Durchbiegung der Druckeinwirkungsfläche zum Durchbiegungs-Fühlerelement;
dadurch gekennzeichnet, daß der Membranabschnitt in einen zentralen Bodenabschnitt (21) und einen äußeren Um fangsabschnitt (20) unterteilt ist, wobei der zentrale Bo denabschnitt bezüglich des äußeren Umfangsabschnitts zu rückversetzt ist.
2. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der zentrale Bodenabschnitt und der äuße
re Umfangsabschnitt parallel zueinander verlaufende Ober
flächen aufweisen.
3. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß der zentrale Bodenabschnitt und
der äußere Umfangsabschnitt über einen konischen Abschnitt
(2d) miteinander verbunden sind.
4. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Dicke (t₃) des konischen Abschnitts (2d)
nicht größer als die Dicke (t₁, t₂) des zentralen Bodenab
schnitts oder des äußeren Umfangsabschnitts ist.
5. Hochtemperaturdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bodenabschnitt
zu einer zentralen Achse des Membranabschnitts symmetrisch
ist.
6. Hochtemperaturdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungsteil (7,
8) mit dem zentralen Bodenabschnitt an einem Punkt in Kon
takt gebracht ist.
7. Hochtemperaturdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis
6, gekennzeichnet durch ein Wärmeisolierteil (202; 212; 221; 231)
zum Abschirmen der Druckeinwirkungsfläche des Membranab
schnitts.
8. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine scheibenförmige
Platte (202; 212) ist, die sich parallel zur Druckeinwirkungs
fläche erstreckt.
9. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß die scheibenförmige Platte (202; 212) von
der Druckeinwirkungsfläche über einen an einem Zentrum der
Druckeinwirkungsfläche vorgesehenen Stilabschnitt (201; 211)
beabstandet ist.
10. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine Kappe (221) ist,
die eine zylindrische Wand mit einer Vielzahl von Öffnungen
(222) aufweist und mit dem Umfangsende des Membranabschnitts
gekoppelt ist.
11. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine auf der Druck
einwirkungsfläche aufgeschichtete Wärmeisolierschicht (231)
ist.
12. Hochtemperaturdrucksensor, mit:
einem Gehäuse (1) mit einer von einer zylindrischen
Wand (22) umgebenen Bohrung (13);
einem in der Bohrung vorgesehenen Durchbiegungs-Füh lerelement (6);
einem eine Öffnung der Bohrung verschließenden Mem branabschnitt (20), dessen Umfangsende an der zylindrischen Wand befestigt ist und der eine Druckeinwirkungsfläche (A) aufweist, die in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand biegbar ist; und
einem zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbie gungs-Fühlerelement angeordneten Druckübertragungsteil (7, 8) zum Übertragen der Durchbiegung der Druckeinwirkungsfläche zum Durchbiegungs-Fühlerelement;
gekennzeichnet durch ein Wärmeisolierteil (202; 212; 221; 231) zum Abschirmen der Druckeinwirkungsfläche des Membran abschnitts.
einem in der Bohrung vorgesehenen Durchbiegungs-Füh lerelement (6);
einem eine Öffnung der Bohrung verschließenden Mem branabschnitt (20), dessen Umfangsende an der zylindrischen Wand befestigt ist und der eine Druckeinwirkungsfläche (A) aufweist, die in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand biegbar ist; und
einem zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbie gungs-Fühlerelement angeordneten Druckübertragungsteil (7, 8) zum Übertragen der Durchbiegung der Druckeinwirkungsfläche zum Durchbiegungs-Fühlerelement;
gekennzeichnet durch ein Wärmeisolierteil (202; 212; 221; 231) zum Abschirmen der Druckeinwirkungsfläche des Membran abschnitts.
13. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine scheibenförmige
Platte (202; 212) ist, die sich parallel zur Druckeinwirkungs
fläche erstreckt.
14. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die scheibenförmige Platte (202; 212) von
der Druckeinwirkungsfläche über einen an einem Zentrum der
Druckeinwirkungsfläche vorgesehenen Stilabschnitt (201; 211)
beabstandet ist.
15. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine Kappe (221) ist,
die eine zylindrische Wand mit einer Vielzahl von Öffnungen
(222) aufweist und mit dem Umfangsende des Membranabschnitts
gekoppelt ist.
16. Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine auf der Druck
einwirkungsfläche aufgeschichtete Wärmeisolierschicht (231)
ist.
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