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DE4022742A1 - 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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Publication number
DE4022742A1
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DE
Germany
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pressure sensor
counter bearing
electronic components
sensor according
housing
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Withdrawn
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DE4022742A
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German (de)
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Guenther Dipl Phys Stecher
Werner Dipl Ing Dr Herden
Wolfgang Schmidt
Manfred Dipl Ing Moser
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Abstract

In the pressure sensor (11) proposed, the receiver (19), comprising a piezo-resistive thick-film resistance or a piezo-electric material, and the electronic components (23) of an electronic processing circuit are located on the substrate (21) of a hybrid circuit (22). In the vicinity of the receiver (19), the underside of the substrate (21) abuts a stop (25). The stop (25) has through-bores in the vicinity of the electronic components (23). These through-bores (26) provide sufficient installation space for the electronic components (23). In addition, the electronic components (23) can be aligned simply, even when fitted in place, by laser trimming. The pressure sensor is relatively compact in design and can be manufactured cheaply.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Anspruchs 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.The invention is based on a pressure sensor of the type of Claim 1. In such a known from US-PS 46 20 438 Pressure sensors are the electronic components on a ceramic Plate arranged in the longitudinal direction of the pressure sensor after the Counter bearing is fixed in the housing. The piezo elements are located on the other side of the counter bearing. As a result, the Piezoele elements and the electronic components with the help of insulated Pieces of wire are connected to one another in a complex manner. The size the pressure sensor is thereby further extended.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor beson­ ders platzsparend baut. Durch die Verwendung eines Hybrids, bei dem auf dem Träger auf der einen Seite die Druckaufnehmerelemente und auf der anderen Seite die elektronischen Bauteile angeordnet sind, ist nur ein geringer Platzbedarf notwendig. Bei Verwendung einer Drucktechnik kann mit Hilfe von Durchkontaktierungen durch den Trä­ ger hindurch die Schaltung minimiert werden. Durch die Aussparungen im Gegenlager ist genügend Platz für die Anordnung der elektroni­ schen Bauteile und ferner kann im montierten Zustand ein leichter Abgleich insbesondere durch Lasertrimmen vorgenommen werden. Dadurch wird verhindert, daß bei im vormontierten Zustand abgeglichenen elektronischen Bauteilen eine durch die Montage bedingte Offsetdrift die Signale verfälscht werden. In besonders einfacher Weise können die Kabel zu den Anschlüssen der elektronischen Bauteile geführt werden. Die Haltbarkeit der Kontaktierungen wird dadurch auch ver­ bessert. Durch die Auflage des Hybrids am Gegenlager mit Hilfe eines Dichtrings ist eine spannungsarme Lagerung möglich. Ferner ist es möglich, in der Praxis erprobte Standardbondtechniken zur Verbindung der elektronischen Bauteile und der Aufnehmerelemente zu verwenden. Der gesamte Hybrid, einschließlich der elektronischen Bauteile und der Aufnehmer kann auch bereits vor dem Einbau in das Sensorgehäuse überprüft werden. Dadurch ist eine einfache Montage des Drucksensors möglich. Der Sensor ist somit kostengünstig herstellbar. Aufgrund der räumlichen Anordnung herrscht bei den elektronischen Bauteilen und den Aufnehmern nahezu die gleiche Temperatur. Aufwendige Maßnah­ men zur Temperaturkompensation können dadurch entfallen.The pressure sensor according to the invention with the characteristic features of claim 1 has the advantage that the sensor FITS builds space-saving. By using a hybrid where on the carrier on one side the pressure transducer elements and on the other side the electronic components are arranged, only a small amount of space is required. When using a Printing technology can with the help of vias by the Trä ger the circuit can be minimized. Through the cutouts  there is enough space in the counter bearing for the arrangement of the electronics cal components and also in the assembled state can be a lighter Adjustment can be made in particular by laser trimming. Thereby is prevented from being adjusted in the pre-assembled state electronic components an offset drift caused by assembly the signals are falsified. In a particularly simple way the cables lead to the connections of the electronic components will. The durability of the contacts is also ver improves. By placing the hybrid on the counter bearing with the help of a Sealing rings allow low-stress storage. Furthermore, it is possible, tried and tested standard bonding techniques for connection the electronic components and the transducer elements. The entire hybrid, including the electronic components and the transducer can also be installed in the sensor housing be checked. This makes the pressure sensor easy to install possible. The sensor is thus inexpensive to manufacture. Because of The spatial arrangement prevails with the electronic components and the sensors almost the same temperature. Elaborate measure This eliminates the need for temperature compensation.

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

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenAn embodiment of the invention is shown in the drawing represents and explained in more detail in the following description. It demonstrate

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Drucksensor, die Fig. 2 einen Schnitt in Richtung II-II nach Fig. 1, die Fig. 1 shows a longitudinal section through a pressure sensor, Fig. 2 shows a section in the direction II-II of FIG. 1, the

Fig. 3 und 4 jeweils eine Abwandlung einer Einzelheit. FIGS. 3 and 4 each show a modification of a detail.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In 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 ei­ ner 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 10, liegt aber, um die Beweglichkeit der Membran 14 zu gewährleisten, nicht direkt an der Innenseite 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 z. B. 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 Aufnehmer 19 anliegt. Der Stempel 18 kann aus Glaskeramik bestehen, um eine gute Wärmeiso­ lierung zwischen dem Brennraum und dem Aufnehmer 19 zu gewähr­ leisten. Als Aufnehmer kann, wie in der Fig. 1 dargestellt, z. B. ein piezoresistives Element verwendet werden. Hierzu sind auf dem Träger 21 des Hybrids 22 Dickschichtwiderstände aufgedruckt. Es kön­ nen z. B. Cermet oder Plastic-Widerstände verwendet werden. Als Ma­ terial für den Träger 21 eignet sich dann besonders Al2O3 als Substrat. Als Aufnehmer kann aber z. B. auch ein piezokeramisches Element, z. B. eine Quarzscheibe, das zwischen zwei elektrischen Kontaktscheiben angeordnet ist, verwendet werden. Die Kontaktflä­ chen zwischen den Kontaktscheiben und dem piezokeramischen Element und dem Stempel sind dann geklebt, wobei z. B. ein hochtemperatur­ fester Leitkleber verwendet werden kann. Auch hier kann die Kontakt­ scheibe auf einem keramischen Träger aus Al2O3 des Hybrids auf­ geklebt sein. Auf der anderen Seite des Trägers 21 können auch elek­ tronische Bauteile 23, wie z. B. Transistoren, Widerstände, etc. einer Auswerteschaltung angeordnet sein. Die elektronischen Bauteile 23 sind untereinander mit Dickschichtleiterbahnen oder Bonddrähten 24 verbunden. Durch Bohrungen im Träger wird mit Hilfe von Durchkon­ taktierungen die Verbindung zum Aufnehmer 19 hergestellt. Der Träger 21 liegt im Bereich des Aufnehmers 19 mit seiner Unterseite an einem in die Bohrung 12 eingepreßten Gegenlager 25 an. Das Gegenlager 25 weist im Bereich der elektrischen Bauteile durchgehende Bohrungen 26 auf. Durch diese Bohrungen 26 können die Abschlußleitungen 27 der elektronischen Bauteile 23 geführt werden. Die Leitung 27 ist in einer Tülle 29 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 30 befe­ stigt. Über die Leitung 27 werden die Meßwerte zu einer nicht darge­ stellten Auswerteschaltung und Steuereinrichtung der Brennkraftma­ schine geführt. Um den Aufnehmer 19 und die elektronischen Bauteile 23 vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist das Gehäuse mindestens im Bereich der elektronischen Bauteile 23 mit einer Vergußmasse 31 aus­ gegossen.In Fig. 1, 10, the housing of a pressure sensor 11 for loading atmospheric pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine described net. It has a central, continuous, stepped bore 12 . The combustion chamber facing opening 13 of the housing 10 is closed by egg ner 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 . As a result, the membrane 14 is firmly seated on the housing 10 , but in order to ensure the mobility of the membrane 14 , it does not lie directly against the inside 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 made of a super alloy, that is, of an alloy of e.g. B. about 50% Ni, 20% Cr, 20% Fe. At the central area of the membrane 14 , a plunger 18 bears with its one end, which bears with its other end against a sensor 19 . The stamp 18 can be made of glass ceramic to ensure good thermal insulation between the combustion chamber and the sensor 19 . As a sensor, as shown in Fig. 1, z. B. a piezoresistive element can be used. For this purpose, thick-film resistors 22 are printed on the carrier 21 of the hybrid. It can be z. B. cermet or plastic resistors can be used. As a material for the carrier 21 , Al 2 O 3 is particularly suitable as a substrate. As a sensor, however, B. also a piezoceramic element, e.g. B. a quartz disk, which is arranged between two electrical contact disks can be used. The contact surfaces between the contact disks and the piezoceramic element and the stamp are then glued, z. B. a high temperature resistant conductive adhesive can be used. Here, too, the contact disk can be glued onto a ceramic carrier made of Al 2 O 3 of the hybrid. On the other side of the carrier 21 can also electronic components 23 , such as. B. transistors, resistors, etc. of an evaluation circuit. The electronic components 23 are connected to one another with thick-film conductor tracks or bonding wires 24 . Through bores in the carrier, the connection to the transducer 19 is made with the help of through contacts. The carrier 21 lies in the area of the transducer 19 with its underside against a counter bearing 25 pressed into the bore 12 . The counter bearing 25 has through bores 26 in the area of the electrical components. The termination lines 27 of the electronic components 23 can be guided through these bores 26 . The line 27 is BEFE Stigt in a spout 29 of the cover 12 closing the bore 30 . Via line 27 , the measured values are passed to an evaluation circuit and control device of the internal combustion engine, not shown. In order to protect the transducer 19 and the electronic components 23 from environmental influences, the housing is cast with a potting compound 31 at least in the area of the electronic components 23 .

In der Fig. 1 weist das Gegenlager 25 einen Fortsatz 35 auf, mit dem es an der Unterseite des Trägers 21 im Bereich des Aufnehmers 19 anliegt. Eine Auflage des Trägers 21 auf dem Gegenlager 25 in diesem Bereich ist notwendig, um ein Durchbiegen des Trägers 21 im Bereich des Aufnehmers 19 zu verhindern. Dies würde sonst zu Fehlmessungen führen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn, wie in Fig. 2 darge­ stellt, die Bohrungen 26 segmentartige Ausnehmungen darstellen, so daß eine sternartige Ausbildung des Gegenlagers 25 entsteht. Die elektronischen Bauteile des Hybrids 22 sind dann in mehrere Baugrup­ pen zusammengefaßt, die jeweils im Bereich der Bohrungen 26 auf der Unterseite des Trägers 21 angeordnet sind. So können die elektroni­ schen Bauteile 23 des Hybrids 22 im Bereich einer Bohrung 26 zu ei­ nem integrierten Schaltkreis (IC) zusammengruppiert sein, und in dem anderen Bereich der Bohrung befinden sich die Abgleichwiderstände und im Bereich einer weiteren Bohrung die Anschlüsse 27. In Fig. 1, the counter bearing 25 has an extension 35 with which it rests on the underside of the carrier 21 in the area of the transducer 19 . It is necessary for the support 21 to rest on the counterbearing 25 in this area in order to prevent the support 21 from bending in the area of the receiver 19 . Otherwise this would lead to incorrect measurements. It is particularly advantageous if, as shown in Fig. 2 Darge, the holes 26 represent segment-like recesses, so that a star-like design of the counter bearing 25 is formed. The electronic components of the hybrid 22 are then grouped into a plurality of assemblies, which are each arranged in the region of the bores 26 on the underside of the carrier 21 . The electronic components 23 of the hybrid 22 can be grouped together in the area of a bore 26 to form an integrated circuit (IC), and in the other area of the bore there are the trimming resistors and in the area of a further bore the connections 27 .

Während beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 das Gegenlager nur mit dem Fortsatz 35 auf der Unterseite des Trägers 21 aufliegt, ist es bei der Ausführung nach der Fig. 3 möglich, den Träger 21 zu­ sätzlich noch auf dem Rand 37 des Gegenlagers 25 zu lagern. Hierzu ist auf dem Rand 37 ein Dichtring 38 angeordnet, auf dem der Träger 21 aufliegt. Dadurch ist eine spannungsarme Lagerung des Hybrids 22 auf dem Gegenlager 25 möglich. Statt des Dichtrings 38 kann aber auch, wie in Fig. 4 dargestellt, der Rand 37a des Gegenlagers 25a an der Unterseite des Trägers 21 anliegen. Durch die zusätzliche seitliche Auflage des Trägers 21 auf dem Rand 37a bzw. des Dicht­ rings 38 wird eine Bruchsicherheit des Drucksensors bei einem Herab­ fallen aus einer vorgeschriebenen Mindesthöhe gewährleistet. Ferner ist der Drucksensor dadurch gegenüber Stoßbelastungen gesichert.While in the embodiment according to FIG. 2 the counter bearing rests only with the extension 35 on the underside of the carrier 21 , it is possible in the embodiment according to FIG. 3 to additionally support the carrier 21 on the edge 37 of the counter bearing 25 . For this purpose, a sealing ring 38 is arranged on the edge 37 , on which the carrier 21 rests. This enables a low-stress mounting of the hybrid 22 on the counter bearing 25 . Instead of the sealing ring 38 , however, as shown in FIG. 4, the edge 37 a of the counterbearing 25 a can rest on the underside of the carrier 21 . The additional lateral support of the carrier 21 on the edge 37 a or the sealing ring 38 ensures break resistance of the pressure sensor in the event of a fall from a prescribed minimum height. Furthermore, the pressure sensor is thereby secured against shock loads.

Die Funktion eines Druckgebers ist allgemein bekannt und hier des­ halb nicht näher ausführlich erläutert. Die über die Membran 14 und den Stempel 18 auf den Aufnehmer 19 einwirkende Kraft erzeugt bei einem piezoresistiven Element eine Widerstandsänderung, während es bei einem piezokeramischen Element oder einem Quarzelement eine durch Polarisationsänderung hervorgerufene Oberflächenladung be­ wirkt. Dieses durch die Widerstandsänderung bzw. durch die Oberflä­ chenladung hervorgerufene Meßsignal wird den elektronischen Bautei­ len 23 des Hybrids 22 zugeführt. Es sind nur einfache Bondverbindun­ gen zwischen den Kontaktscheiben und den Bauteilen bzw. zwischen den Bauteilen untereinander notwendig. Aufgrund eines relativ langen Stempels 18 sind die elektronischen Bauteile 33 relativ weit und so­ mit geschützt vor Temperatureinflüssen vom Brennraum entfernt.The function of a pressure sensor is generally known and is therefore not explained in detail here. The force acting on the transducer 19 via the membrane 14 and the plunger 18 generates a change in resistance in a piezoresistive element, whereas a surface charge caused by a change in polarization acts on a piezoceramic element or a quartz element. This caused by the change in resistance or by the surface charge charge is the electronic components len 23 of the hybrid 22 supplied. Only simple bond connections between the contact disks and the components or between the components with one another are necessary. Due to a relatively long stamp 18 , the electronic components 33 are relatively far and thus also protected from the effects of temperature from the combustion chamber.

Claims (9)

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma­ schinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) ein Aufnehmer (19), mindestens ein Stempel (18), ein Gegenlager (25), eine das Gehäuse (10) abschließende und am Stempel (18) anlie­ gende Membran (14) und eine elektrische Auswerteschaltung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) mindestens im Bereich des Aufnehmers (19) am Träger (21) anliegt, und daß das Ge­ genlager (25) im Bereich der elektronischen Bauteile (23) durchge­ hende Ausnehmungen aufweist.1. Pressure transmitter ( 11 ) for pressure detection in the combustion chamber of internal combustion engines, in particular of motor vehicles, in the housing ( 10 ) a transducer ( 19 ), at least one stamp ( 18 ), a counter bearing ( 25 ), a housing ( 10 ) closing and on the punch ( 18 ) adjacent membrane ( 14 ) and an electrical evaluation circuit are arranged, characterized in that the counter bearing ( 25 ) bears at least in the area of the transducer ( 19 ) on the support ( 21 ), and that the counter bearing ( 25 ) has continuous recesses in the area of the electronic components ( 23 ). 2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) mehrere Ausnehmungen (26) aufweist, so daß das Gegenlager eine Sternform mit einem äußeren ringförmigen Rand (37) aufweist.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the counter bearing ( 25 ) has a plurality of recesses ( 26 ), so that the counter bearing has a star shape with an outer annular edge ( 37 ). 3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) mit Hilfe eines Fortsatzes (35) am Träger (21) des Hybrides (22) anliegt.3. Pressure sensor according to claim 1 and / or 2, characterized in that the counter bearing ( 25 ) with the aid of an extension ( 35 ) on the carrier ( 21 ) of the hybrid ( 22 ). 4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem Rand (37) des Gegenlagers (25) eine Dichtung (38) aufliegt. 4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that a seal ( 38 ) rests on the edge ( 37 ) of the counter bearing ( 25 ). 5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) in das Gehäuse (10) eingepreßt ist.5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the counter bearing ( 25 ) in the housing ( 10 ) is pressed. 6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß durch die Bohrungen (26) des Gegenlagers (25) die elektri­ schen Leitungen (27) der Auswerteschaltung geführt werden.6. Pressure transmitter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrical lines ( 27 ) of the evaluation circuit are guided through the bores ( 26 ) of the counter bearing ( 25 ). 7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß der Träger (21) des Hybrids (22) aus Al2O3 besteht.7. Pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier ( 21 ) of the hybrid ( 22 ) consists of Al 2 O 3 . 8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stempel (18) aus Glaskeramik besteht.8. Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the stamp ( 18 ) consists of glass ceramic. 9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gehäuse (10) im Bereich des Aufnehmers (19) und der elektronischen Bauteile (23) mit einer Vergußmasse (31) vergossen ist.9. Pressure sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the housing ( 10 ) in the region of the transducer ( 19 ) and the electronic components ( 23 ) is cast with a casting compound ( 31 ).
DE4022742A 1990-07-18 1990-07-18 PRESSURE SENSOR FOR DETECTING PRINTERS IN THE COMBUSTION CHAMBER OF COMBUSTION ENGINES Withdrawn DE4022742A1 (en)

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