DE3128032A1

DE3128032A1 - Anordnung zur erfassung eines druckes

Info

Publication number: DE3128032A1
Application number: DE19813128032
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 78000 Lechesnay Burkel; Jean 92600 Asnières Denamps; Cornelius Dipl.-Ing. 75016 Paris Peter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-07-16
Filing date: 1981-07-16
Publication date: 1983-02-03
Also published as: JPS5819529A; US4475402A

Description

η. 7157

30.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Anordnung zur Erfassung eines Druckes Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines Druckes nach der Gattung des Hauptanspruchs. Eine solche Anordnung ist aus der DE-OS 29 38 205 bekannt, bei'der die die eine Elektrode bildende metallische Fläche in Form einer dünnen, leitfähigen Schicht auf einer Seite eines Isolierstoffplättchens angebracht ist. Die Membran wird durch Löten auf einer als dünne Schicht ausgebildete Leiterbahn, die auf dem Isolierplättchen aufgebracht ist, befestigt. Dadurch ergibt sich eine nachteilige starke Temperaturabhängigkeit des wirksamen Luftspaltes und damit der Meßkapazität. Das Lötverfahren zum Aufbringen der Membran erfordert teure Verfahrensschritte, z.B. Vernickeln oder Vergolden. Weiterhin ist das zu evakuierende Volumen des Druckgebers so gering, so daß selbst bei Unterschreitung der heute meßbaren Leckraten die Lebensdauer nicht ausreichend ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erfassung eines Druckes hat demgegenüber den Vorteil, daß Temperatureffekte weitgehend ausgeschaltet sind. Die Anordnung ist wenig anfällig gegen Überlast. Weiterhin ist der Aufbau der Anordnung sehr einfach und kostengünstig.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind weitere Verbesserungen möglich. Die angegebene Auswerteschaltung erlaubt Fertigungsstreuungen der Ätztiefe der Membran und Streuungen der Eingangs- und Schaltkapazität auszugleichen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1a ein Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Druckgebers der erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt, Figur 1b die Lotstelle zwischen Membran und Außenring im Detail und Figur 2 ein Schaltungsbeispiel für die Auswerteschaltung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Der kapazitive Druckgeber nach Figur 1 weist einen metallischen Außenring 1 auf, in dem mittels einer Druckglaseinschmelzung 2 eine metallische Mittelelektrode 3 befestigt ist. Mit dem Außenring 1 ist der Rand einer aus einem Metallplättchen profilgeätzten Membran k druckdicht verbunden, was durch die Schweißnaht 7 angedeutet ist. Die Membran k umschließt einen Hohlraum 5, der evakuiert ist. Die Membran k bildet zusammen mit der gegenüberliegenden Mittelelektrode 3 einen elektrischen Kondensator, dessen Kapazität C umso größer

wird, je mehr der auf die Membran k von außen einwirkende Druck P ansteigt und dabei die Membran h gegen die Mittelelektrode 3 durchbiegt. An den Anschlüssen 6, die jeweils mit dem Außenring 1 und der Mittelelektrode 3 verbunden sind, kann das druckabhängige Signal abgenommen werden.

Die Fläche des Außenringes 1, auf der die Membran h aufliegt und die Stirnseite der Mittelelektrode 3 werden durch Überschleifen oder durch Läppen in eine Ebene gebracht. Durch diese Maßnahme wird der durch die Profilätzung vorgegebene Luftspalt exakt eingehalten. Die Membran k wird durch Laser- oder Elektronen-Strahlschweißen befestigt, wobei der Laser- bzw. Elektronenstrahl feststeht und die zu verschweißenden Teile von einem Antrieb an dem Laser- bzw. Elektronenstrahl vorbeigeführt werden oder wobei die zu verschweißenden Teile feststehen und der Laser— bzw. Elektronenstrahl durch den Antrieb bewegt wird. Der Schweißvorgang sollte vorzugsweise in Vakuum erfolgen, damit ein nachträgliches Evakuieren des Hohlraums 5 entfällt. Weiterhin muß darauf geachtet werden, daß sich die Membran k infolge der durch den Schweißvorgang eingebrachten Wärme nicht verwölbt. Eine Verwölbung wird durch das Andrücken der Membran h mit Hilfe einer Andruckplatte vermieden. Dabei ist die Andrückplatte vorzugsweise dauermagnetisch, weil dann ein zweiter synchronlaufender Antrieb für die Andruckplatte entfällt. Zur weiteren Verringerung der notwendigen Schweißenergie kann die Membran h in dem Bereich, in dem sie mit dem Außenring 1 verschweißt werden soll, zusätzlich geätzt werden, damit der Querschnitt sich verringert. (Figur 1b)

Membran k und Außenring 1 bestehen aus weitgehend gleichartigen Werkstoffen, damit Temperatureffekte ausgeschaltet werden.

Die Druckglaseinschmelzung 2 weist in dem in Figur 1 gezeichneten Schnitt eine geringere Breite auf als die Mittelelektrode 3 und als der Außenring 1, wodurch der Abstand zwischen Membran h und Druckglaseinschmelzung 2 größer ist als der Abstand zwischen Membran k und Mittelelektrode 3- Durch diese Maßnahme kann der Hohlraum 5 vergrößert werden, ohne die Eigenschaften, die durch den Luftspalt vorgegeben werden ,·; au-verändern .

In Figur 2 ist eine Auswerteschaltung, die die vom Druckgeber nach Figur 1 abgegebenen Signale weiterverarbeitet, dargestellt. Dabei kann entsprechend der DE-OS 29 38 205 die Auswerteschaltung auf der Rückseite des Druckgebers oder auf einer getrennten Leiterplatte angeordnet sein, die mit den Anschlüssen 6 verbunden ist. In Figur 2 ist der Druckgeber mit 8 bezeichnet. Ein Anschluß ist mit Masse verbunden und der zweite Anschluß ist einerseits an einen aus zwei n-Kanal-Sperrschicht-Feldeffekttransistoren 9, 10 bestehenden Impedanzwandler angeschlossen und andererseits über ein erstes Potentiometer 16 mit dem Ausgang eines RC-Oszillators 11, der als Multivibrator mit Operationsverstärker ausgebildet sein kann, verbunden. Der Ausgang des Impedanzwandlers 9₅ 10 führt auf den Eingang des RC-Oszillators 11. Weiterhin ist der Ausgang des Impedanzwandlers 9s 10 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 12 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 12 ist über einen Kondensator 13 an Masse gelegt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 12 ist einerseits über einen Widerstand 1k mit dem Eingang des Impedanzwandler 9, H) und (I ami L mil. dem Druckgeber 8 verbunden und wird andererseits über ein zweites Potentiometer 15 auf seinen invertierenden Eingang zurückgeführt.

Der Einsatz des Impedanzwandlers 9, 10 verringert den Eingangswiderstand und die Eingangskapäzität des nachfolgenden RC-Oszillators 11. Dadurch können für diesen Oszillator frei erhältliche integrierte Komparatoren eingesetzt werden. Die wirksame Eingangskapazität der Schaltung liegt zwischen 1 und 2,5 pF. Das Netzwerk, bestehend aus Operationsverstärker 12, Widerstand 1U, Potentiometer 15 und Kondensator 13 dient zur Kompensation der unvermeidbaren Schalt- und Eingangskapazitäten. Dieses Fetzwerk verhält sich wie eine negative Kapazität, deren Wert durch das Produkt aus der Kapazität des Kondensators 13 und dem Quotienten der Widerstandswerte 1k und 15 bestimmt ist. Der Wert der Kapazität kann also durch das zweite Potentiometer 15 eingestellt werden, so daß Druckgeber, deren Verhältnisse von Kapazitätswert bei unterer Grenze des zu messenden Druckbereichs zu Kapazitätswert bei oberer Grenze unterschiedlich sind, auf das gleiche Verhältnis d. h. auf den gleichen Hub abgeglichen werden können. Dadurch ist es möglich, Fertigungsstreuungen der Ätztiefe der Membran k und' Streuungen der Eingangs- und Schaltkapazitäten mittels des Widerstandsabgleiches auszugleichen.

s_ Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere zur

Ermittlung des Ansaugluftdruckes einer Brennkraftmaschine geeignet und läßt sich leicht wegen der geringen Abmessungen und der Temperaturunempfindlichkeit in das Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine einbauen. Dabei liefert die Anordnung eine in Abhängigkeit vom jeweiligen Ansaugluftdruck veränderbare elektrische Größe, vorzugsweise eine am Ausgang des RC-Oszillators 11 liegende druckabhängige Frequenz. Die Frequenz weist einen linearen Verlauf über den betrachteten Druckbereich auf und dank des Abgleichs mit dem zweiten Potentiometer 15 können unter

schiedliche Druckgeber gleiche Frequenzhübe d.h. gleiche Werte der Verhältnisse von Frequenz bei unterer Grenze zu Frequenzwert bei oberer Grenze des Druckbereichs haben.

Durch einen weiteren Abgleich mit dem ersten Potentiometer 16 ist es möglich, die wohl unterschiedlichen aber gleichen Hub aufweisenden Frequenzverläufe unterschiedlicher Druckgeber derart zu verschieben, daß sich alle Frequenzverläufe ungefähr decken. So können für alle Druckgeber bei gleichen Drücken gleiche Frequenzausgangswerte erreicht wer den .

-YO-

Leerseite

Claims

30.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7ÖOO STUTTGART 1

Ansprüche

f1./Anordnung zur Erfassung eines Drucks, insbesondere des ν—/

Ansaugluftdruckes einer Brennkraftmaschine, mit einer metallisch leitenden, sich druckabhängig verformenden, als profilgeätztes Metallplättchen ausgebildeten Membran, der eine gegenüber der Membran isolierte, metallische Fläche gegenübersteht, die zusammen mit der Membran die beiden Elektroden eines elektrischen Kondensators bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Fläche von einer metallischen Mittelelektrode (3) gebildet wird, die mittels einer Druckglaseinschmelzung (2) in einem metallischen Außenring (J) befestigt ist und daß die Membran (k) mit dem Außenring (1) luft- und druckdicht verbunden ist.

2, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Membran (h) und Außenring (J) aus gleichartige Werkstoffen bestehen.

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3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Hohlraumes (5) ' zwischen Membran (U) und Mittelelektrode (3) bzw. Druckglaseinschmelzung (2) der Abstand Membran-Druckglasein— Schmelzung größer ist als der Abstand Membran-Mittelelektrode.

k. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine als RC-Oszillator ausgebildete Auswerteschaltung vorgesehen ist, die zur Verringerung des Eingangswiderstandes und der Eingangskapazität einen aus zwei Feldeffekttransistoren (9, 10) bestehenden Impedanzwandler aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß ein Netzwerk zur Kompensation der Schalt- und Eingangs- , kapazität vorgesehen ist, die einen Operationsverstärker (12), einen mit dessen einem Eingang verbundenen Kondensator (13) und zwei mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (12) verbundene Widerstände (1U, 15)₉ die jeder auf einen seiner zwei Eingänge rückwirken, aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5_S dadurch gekennzeichnet, daß

zum Abgleich des Kapazitätswertes einer der beiden Widerstände (lh, 15) als Potentiometer ausgebildet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche U bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für einen weiteren Abgleich ein zwischen Ausgang des RC-Oszillators 11 und Eingang des Impedanzwandlers (9s 10) geschaltetes Potentiometer vorgesehen ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche der Membran (U) auf dem Außenring (1) und die Stirnseite der Mittelektrode (3) durch Schleifen oder Läppen in eine Ebene gebracht werden.

9. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (U) durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen am Außenring (1) befestigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißvorgang im Vakuum erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Verwölbungen der Membran (U) diese mittels einer, vorzugsweise dauermagnetischen Andruckplatte, an den Außenring (1).angedrückt wird.