DE4419138A1 - Hochtemperaturdrucksensor - Google Patents

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.

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.

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.