DE3839515A1 - Druckfuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen keramischen Druckfühler und insbesondere auf einen keramischen Druckfüh­ ler, der für ein Messen des Drucks innerhalb des Zylinders einer Brennkraftmaschine oder von Drücken bei gleichartigen Umgebungsbedingungen geeignet ist.

Es ist ein Druckfühler in einer Art bekannt, wobei eine ge­ eignete Formänderungs- oder Verformungsfühleinrichtung an einer Membran angeordnet ist, die in Abhängigkeit von einem auf sie aufgebrachten Druck verformbar ist. Die Dehnung oder Verformung der Membran bewirkt eine Änderung im elektri­ schen Ausgang der Verformungsfühleinrichtung, so daß der auf die Membran einwirkende Druck durch den von der Verformungs­ fühleinrichtung erzeugten Ausgang gemessen oder bestimmt wer­ den kann. In jüngerer Zeit wurden in den SAE-Reports 8 20 319 und 8 60 474 Beispiele für diese Art eines Druckfühlers vorge­ schlagen.

Bei dem bekannten Druckfühler der oben angegebenen Art, der eine keramische Membran verwendet, steht die eine der einan­ der entgegengesetzten Hauptflächen der Membran unmittelbar mit dem umgebenden Raum in Verbindung, d.h., daß diese Flä­ che der Membran unmittelbar der zu messenden Atmosphäre, die im folgenden als "Meßmedium" bezeichnet wird, ausgesetzt ist.

Wenn der Druckfühler für ein Messen des Drucks (Verbrennungs­ drucks) innerhalb der Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschi­ ne beispielsweise verwendet wird, so kommt die Membran unmit­ telbar mit einem relativ heißen, im Verbrennungsprozeß der Maschine erzeugten Gas und mit einem relativ kühlen, im An­ saugvorgang der Maschine vorhandenen Gas in Berührung. Das bedeutet, daß die Membran einem abwechselnden Erhitzen sowie Kühlen durch das Verbrennungs- sowie Ansauggas in relativ kurzen Intervallen ausgesetzt ist. Dadurch wird ein Unter­ schied zwischen den Temperaturen an den einander entgegen­ gesetzten Seiten der Membran erzeugt, wodurch eine Wärmespan­ nung hervorgerufen wird, die zu einer Verformung oder Biegung der Membran in einem gewissen Grad führen kann.

Wenn die Membran dem heißen Verbrennungsgas ausgesetzt wird, so tritt die erwähnte, auf der Wärmespannung beruhende Durch­ biegung der Membran in einer Richtung auf, die zu der durch einen positiven Druck des auf diese einwirkenden Meßgases hervorgerufenen Richtung der Durchbiegung der Membran ent­ gegengesetzt gerichtet ist. Wird die Membran dem relativ kühlen Ansauggas ausgesetzt, so tritt die auf der Wärmespan­ nung beruhende Durchbiegung in der gleichen Richtung wie die bei der durch den Druck hervorgerufenen Durchbiegung auf. Demzufolge ist der von der Verformungs- oder Dehnungsfühlein­ richtung ermittelte Druck niedriger als der tatsächliche Druck im Verbrennungsvorgang und höher als der tatsächliche Druck im Ansaugvorgang der Maschine. Insofern weist der Druck­ fühler den Nachteil eines Meßfehlers auf, der der Größe der Durchbiegung der Membran auf Grund der oben genannten Wärme­ dehnung entspricht. Der bekannte Druckfühler ist folglich nicht in ausreichender Weise bezüglich seiner Meßgenauigkeit zufriedenstellend.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Druckfühler zu schaf­ fen, der eine keramische Membran hat, die im Ansprechen auf einen Druck eines auf sie einwirkenden Fluids verformbar ist, wobei der Druckfühler imstande ist, den Druck auch dann ganz genau zu messen, wenn die Temperatur des Fluids in einem er­ heblichen Ausmaß schwankt.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Prinzip der Erfindung gelöst, indem ein Druckfühler geschaffen wird, der eine auf der einen ihrer entgegengesetzten Flächen (einer ersten Fläche) einem Meßmedium in einem äußeren Raum ausgesetzte keramische Mem­ bran, die im Ansprechen auf den Druck des Meßmediums verform­ bar ist, und eine Dehnungs- oder Verformungsmeßeinrichtung zur Erzeugung eines die Größe der Verformung der keramischen Membran kennzeichnenden elektrischen Ausgangs umfaßt, wobei der Druckfühler ein Stützglied zur festen Lagerung der kera­ mischen Membran an einem Außenumfangsteil von dieser, um einem zentralen Arbeitsbereich der Membran eine Verformung im An­ sprechen des auf diese einwirkenden Drucks des Meßmediums zu ermöglichen, und eine Ablenk- oder Leitkonstruktion, die benachbart zu der ersten Fläche der keramischen Membran ange­ ordnet ist, aufweist. Die Leitkonstruktion umfaßt Teile, die mit der erwähnten ersten Fläche zusammenwirken, um eine Kammer abzugrenzen, zu der diese erste Fläche der keramischen Mem­ bran hin freiliegt. Ferner hat die Leitkonstruktion wenig­ stens eine Verbindungsöffnung, die eine Verbindung zwischen der Kammer und dem Außenraum herstellt, so daß die erste Flä­ che des mittigen Arbeitsbereichs der keramischen Membran gegen ein Auftreffen eines geradlinigen Stroms des Meßmediums vom Außenraum zum mittigen Arbeitsbereich der Membran hin geschützt ist.

Bei dem Druckfühler mit dem oben geschilderten Aufbau gemäß der Erfindung wird der mittige Arbeitsbereich der kerami­ schen Membran abgeschirmt, so daß er nicht dem geradlinigen Strom des Meßmediums vom äußeren Raum zur keramischen Mem­ bran hin ausgesetzt ist. Dadurch minimiert die Leitkonstruk­ tion eine plötzliche Änderung in der Temperatur des Fluids in der Nachbarschaft der Fläche der Membran, selbst wenn die Temperatur des Fluids im Außenraum innerhalb einer kurzen Zeit sich erheblich ändert. Demzufolge wird die Größe in der Verformung, die aus einer Wärmespannung der keramischen Mem­ bran auf Grund dieser plötzlichen Temperaturänderung hervor­ geht, wirksam vermindert oder beseitigt, so daß der Druck des Meßmediums im Außenraum mit gesteigerter Genauigkeit ge­ messen oder bestimmt werden kann.

Der obige, auf die Leitkonstruktion zurückzuführende Vorteil ermöglicht dem erfindungsgemäßen Druckfühler eine genaue Mes­ sung des Drucks eines Fluids, dessen Temperatur in erhebli­ chem Ausmaß schwankt oder sich ändert, z.B. des Drucks des Fluids innerhalb der Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschi­ ne, wobei das Fluid alternierend plötzlich von einem rela­ tiv heißen Verbrennungsgas zu einem relativ kühlen Ansauggas und umgekehrt wechselt.

In einer Ausbildungsform gemäß der Erfindung umfaßt die Leit­ konstruktion eine Mehrzahl von Lenkplattenteilen, die vonein­ ander sowie von der genannten ersten Fläche der keramischen Membran in einer im wesentlichen zu dieser ersten Fläche rechtwinkligen Richtung beabstandet sind. In diesem Fall be­ steht die bereits erwähnte wenigstens eine Verbindungsöff­ nung aus wenigstens einem Loch, das durch die Dickener­ streckung eines jeden der mehreren Lenkplattenteile hindurch derart ausgebildet ist, daß die wenigstens eine Verbindungs­ öffnung, die sich durch eines der Lenkplattenteile erstreckt, von der wenigstens einen Verbindungsöffnung, die durch ein anderes der Lenkplattenteile hindurch ausgebildet ist, in einer im wesentlichen zur ersten Fläche der keramischen Mem­ bran parallelen Richtung beabstandet ist. Die mehreren Lenkpla­ tenteile können aus zwei solchen Teilen bestehen. In diesem Fall umfaßt das eine der beiden Lenkplattenteile eine Boden­ wand eines Gehäuses, in dem das Stützglied, die keramische Membran und das andere Lenkplattenteil aufgenommen sind, während das andere Lenkplattenteil die Kammer in zwei Räume teilt, die miteinander durch die genannte wenigstens eine Verbindungsöffnung, die das andere Lenkplattenteil durch­ setzt, in Verbindung stehen.

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung umfaßt die Leitkonstruktion ein einzelnes Lenkplattenteil, das von der ersten Fläche der Membran in einer im wesentlichen zu die­ ser Fläche rechtwinkligen Richtung beabstandet ist. In die­ sem Fall ist die oben genannte wenigstens eine Verbindungs­ öffnung mit einem Teil der keramischen Membran nahe deren Außenbereich in Ausrichtung. Hierbei kann das einzelne Lenk­ plattenteil aus einer Bodenwand eines Gehäuses bestehen, in dem das Stützglied und die keramische Membran aufgenommen sind.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung um­ faßt die Dehnungsfühleinrichtung wenigstens einen Wider­ stand, der an der anderen der einander entgegengesetzten Flächen (zweite Fläche) der keramischen Membran ausgebildet ist. Ein Widerstandswert dieses wenigstens einen Widerstan­ des ändert sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran, die durch den Druck des Meßmediums hervorgerufen wird. In diesem Fall wird der Druck mittels des Widerstandswertes gemessen.

In einer noch weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung umfaßt die Dehnungsfühleinrichtung eine erste, an der zweiten der einander entgegengesetzten Seiten der Membran ausgebil­ dete Elektrode sowie eine zweite Elektrode, die beab­ standet zur ersten Elektrode fest angeordnet und elektrisch gegenüber der ersten Elektrode isoliert ist. Eine statische Kapazität zwischen der ersten und zweiten Elektrode verän­ dert sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran, die durch den Druck des Meßmediums her­ vorgerufen wird. In diesem Fall wird der Druck mittels der statischen Kapazität gemessen.

Die Aufgabe und weitere Ziele sowie die Merkmale und Vortei­ le der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeich­ nungen Bezug nehmenden Beschreibung von gegenwärtig bevor­ zugten Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen abgebrochenen Längsschnitt eines Druckfühlers in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Druckfühler von Fig. 1;

Fig. 3 ein Kurvenbild von Ausgangssignalen des Druckfühlers von Fig. 1 und eines Druckfühlers nach dem Stand der Technik, wobei diese Signale Drücke innerhalb einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine wiedergeben;

Fig. 4, 5 und 6 zu Fig. 1 gleichartige Schnittdarstellungen von abgewandelten zweiten bis vierten Ausführungsfor­ men gemäß der Erfindung.

Es wird zuerst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Eine keramische Membran 10 eines Druckfühlers ist im Ansprechen auf den auf sie einwirkenden Druck verformbar. Diese Membran 10 ist ein rundes, ebenes oder plattenartiges Teil aus einem keramischen Material, das einstückig mit einem ebenfalls aus Keramikmaterial gefertigten zylindrischen Halte- oder Stütz­ glied 12 ausgebildet ist. Im einzelnen werden die Membran 10 und das Stützglied 12 derart gebildet, daß ein Endstück des Stützgliedes 12 am Außenumfangsteil der keramischen Mem­ bran 10 an deren innenliegender Fläche endet. Auf diese Wei­ se wird die keramische Membran 10 vom Stützglied 12 getragen oder an diesem befestigt.

Die einstückige Ausbildung der Membran 10 und des Stützglie­ des 12 wird mittels eines Formvorgangs eines geeigneten kera­ mischen Materials, wie Aluminiumoxid, Zirkonia, Mullit und Siliziumnitrid, mittels einer bekannten Technik erlangt. Eine ungebrannte geformte Masse aus Keramikmaterial wird zu dem die Teile 10 und 12 bildenden Bauteil gebrannt. Wenn­ gleich die Membran 10 und das Stützglied 12 getrennt vonein­ ander geformt sowie gebrannt und dann miteinander zu dem ein­ stückigen Bauteil durch ein Glas- oder anderes Haftmaterial verbunden werden können,so ist es vorzuziehen, daß eine ein­ stückig geformte Keramikmasse zum Bauteil mit den Teilen 10 und 12 gebrannt wird, wie es in der US-Pat.-Anm. Ser.-No. 07/1 97 312 (angemeldet am 23. Mai 1988) vorgeschlagen wird, und zwar aus dem Gesichtspunkt der Hitze- und Druckwider­ standsfähigkeit sowie der Fühlgenauigkeit des Druckfühlers heraus.

An der inneren Fläche (zweite Fläche) der Membran 10, an der diese mit dem Stützglied 12 verbunden ist, sind mehrere Wider­ stände 14 und (nicht gezeigte) elektrisch leitfähige Streifen, die die Widerstände in einer Brückenanordnung bekannter Art verbinden, um beispielsweise eine Wheatstone-Brückenschal­ tung zu bilden, angeordnet. Diese Widerstände 14 und leit­ fähigen Streifen werden mittels einer Druck- oder anderen Technik unter Verwendung von geeigneten elektrisch ohmschen und leitfähigen Materialien vor oder nach dem Brennen der Membran 10 gefertigt. Die von den Widerständen 14 und den leitfähigen Streifen gebildete Brückenschaltung dient als eine Verformungsfühleinrichtung, um eine Dehnung, die in der keramischen Membran 10 auftritt, zu ermitteln.

Wenn die Membran 10 einer Beanspruchung unterliegt und ver­ formt wird, so vermindern oder erhöhen sich die Widerstands­ werte der Widerstände 14, und ein Ausgang der Brückenschal­ tung wird einer externen Einrichtung zugeführt, um eine Größe der Dehnung zu messen, welche den auf die Membran ausgeübten Druck wiedergibt. Wenngleich die Widerstände 14 und die leit­ fähigen Streifen aus irgendwelchen, in der einschlägigen Tech­ nik verwendeten Materialien gefertigt werden können, so ist es vorzuziehen, eine Mischung zu verwenden, die im wesentlichen aus einer ausgewählten, elektrisch leitfähigen Komponente mit ausgezeichneten Hochtemperatur-Kennwerten und einer aus­ gewählten, dielektrischen Komponente aus Glas oder Keramik­ material besteht, so daß die Brückenschaltung in Umgebungen mit hoher Temperatur hoch standfest ist.

Die Membran 10 und das Stützglied 12 werden ortsfest in einem Hohlraum 18 eines zylindrischen Metallgehäuses 16 so aufgenom­ men, daß die keramische Membran 10 von einer Bodenfläche oder -wand 20 des Gehäuses 16 in dessen Längsrichtung beab­ standet ist. Das bedeutet, daß das einstückige Bauteil aus der Membran 10 und dem Stützglied 12 innerhalb einer zylin­ drischen Wand 24 des Metallgehäuses 16 so befestigt wird, daß eine untere Fläche (erste Fläche) 22, die vom Stützglied 12 entfernt ist, der keramischen Membran 10 der Innenfläche der Bodenwand 20 des Gehäuses 16 mit Abstand zu dieser gegen­ überliegt.

Im Hohlraum 19 des Metallgehäuses 16 ist an einer Stelle, die sich in der Längsrichtung des Gehäuses 16 zwischen der Membran 10 und der Bodenfläche 20 befindet, eine Trennschei­ be 26 angeordnet derart, daß sie eine zwischen der Membran 10 und der Bodenwand 20 abgegrenzte Kammer in zwei Teile teilt, d.h. in einen ersten Raum 30 auf der Seite der Mem­ bran 10 und einen zweiten Raum 32 auf der Seite der Boden­ wand 20. Diese Trennscheibe 26 wird durch ein Paar von me­ tallischen Abstandsringen 28 in ihrer Lage gehalten, wobei der eine Abstandsring sich zwischen der Membran 10 so wieder Trennscheibe 26 und der andere Abstandsring sich zwischen dieser Trennscheibe 26 sowie der Bodenwand 20 befindet.

Bei der oben beschriebenen Anordnung ist die untere oder äußere Fläche (erste Fläche) 22 der keramischen Membran 10 zum ersten Raum 30, der zwischen dem oberen Abstandsring 28, der Trennscheibe 26 und der Membran 10 abgegrenzt ist, freiliegend. Der zweite Raum 32 wird durch die Trennscheibe 26, den unteren Abstandsring 28 und die Bodenwand 20 be­ grenzt.

Die Bodenwand 20 des Gehäuses 16 wird in ihrem radial mitti­ gen Teil von einer konischen runden Öffnung 34 mit einem ver­ gleichsweise großen Durchmesser durchsetzt. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, durchsetzen vier konische runde Öffnungen 36 den radial außenliegenden Teil der Trennscheibe 26, wobei diese Öffnungen 36 in der Umfangsrichtung der Trennscheibe 26 voneinander gleich beabstandet sind und einen vergleichs­ weise kleinen Durchmesser haben. Durch diese Anordnung wird der erste Raum 30, zu dem die erste Fläche 22 der Membran 10 hin freiliegt, mit dem zweiten Raum 32 durch die klein­ kalibrigen Öffnungen 36 in Verbindung gehalten, während der zweite Raum 32 mit dem umgebenden Medium über die großkali­ brige Öffnung 34 in Verbindung steht. Insofern hat die erste Fläche 22 der Membran 10 zum umgebenden Medium mittels des ersten Raumes 30, der kleinkalibrigen Öffnungen 36, des zwei­ ten Raumes 32 und der großkalibrigen Öffnung 34 Verbindung.

Aus dem Obigen folgt, daß die Trennscheibe 26, die Bodenwand 20 und die Zylinderwand 24 des Gehäuses 26 miteinander zusam­ menwirken, um eine Leit- oder Ablenkkonstruktion mit Bezug zur Strömung des umgebenden Mediums (Meßmediums) durch die zwischen der Bodenwand 20 und der Membran 10 abgegrenzte Kammer hindurch zu bilden. Die großkalibrige Öffnung 34 und die kleinkalibrigen Öffnungen 36 dienen als Verbindungsöff­ nungen.

Aus den Fig. 1 und 2 wird deutlich, daß die großkalibrige Öffnung 34 und die kleinkalibrigen Öffnungen 36 in der Radial­ richtung der Bodenwand 20 sowie der Trennscheibe 26 vonein­ ander beabstandet sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß die kleinkalibrigen Öffnungen 36 zu einem radial äußeren Teil des ersten Raumes 30, der einem radial äußeren Teil der Mem­ bran 10 entspricht, an welchem diese am zylindrischen Stütz­ glied 12 befestigt ist, offen sind, d.h. die Öffnungen 36 sind auf den radial äußeren Teil der Membran 10 ausgerich­ tet, der im wesentlichen im Ansprechen auf einen auf die erste Fläche 22 wirkenden Druck keine Verformung erfährt.

Der Druckfühler mit dem oben beschriebenen Aufbau gemäß der Erfindung kann beispielsweise dazu verwendet werden, einen Druck innerhalb eines Zylinders einer Brennkraftmaschine zu ermitteln oder zu messen. In diesem Fall wird der Druckfüh­ ler derart angeordnet, daß die großkalibrige Öffnung 34 mit der Zylinderbohrung in Verbindung steht. Wenn der Zylinder­ druck auf die keramische Membran 10 einwirkt, ändert sich die Größe der Verformung oder Beanspruchung der Membran 10 mit dem Zylinderdruck, so daß sich der Ausgang der die Wider­ stände 14 enthaltenden Brückenschaltung mit dem Zylinderdruck ebenfalls ändert, wodurch folglich der Zylinderdruck durch den Fühler ermittelt werden kann.

Bei dem Druckfühler gemäß der Erfindung verhindern die Boden­ wand 20 des zylindrischen Gehäuses 16 und die in diesem ange­ ordnete Trennscheibe 26, daß auf die untere, erste Fläche 22 der Membran 10 unmittelbar eine geradlinige Strömung des in der Zylinderbohrung der Maschine befindlichen Mediums auf­ trifft, d.h., ein Strom des Mediums (Verbrennungsgas und An­ sauggas im Zylinder) soll durch die großkalibrige Öffnung 34 treten, in den zweiten Raum 32 eintreten, durch die klein­ kalibrigen Öffnungen 36 strömen und in den ersten Raum 30 eintreten, zu dem hin die Membran 10 freiliegt. Da die klein­ kalibrigen Öffnungen 36 von der mittigen, großkalibrigen Öffnung 34 in radial auswärtiger Richtung der Trennscheibe 26 beabstandet sind, wird die Gasströmung durch die Trenn­ scheibe 26 in wirksamer Weise umgelenkt. Auf diese Weise wird die keramische Membran 10 gegen eine direkte Anströmung eines geradlinigen Gasstroms aus der Zylinderbohrung der Ma­ schine geschützt.

Diese Leit- oder Umlenkkonstruktion vermindert oder mildert eine Größe in der Wärmespannung der keramischen Membran 10, die auf eine plötzliche Änderung in der Temperatur des im ersten Raum 30 befindlichen Mediums zurückzuführen ist und ansonsten durch das alternierende Aussetzen des Fühlers gegen­ über dem heißen Verbrennungsgas und dem kühlen Ansauggas hervorgerufen würde. Das bedeutet, daß die Leit- oder Umlenk­ konstruktion die Größe in der Verformung oder Dehnung der Membran 10, die durch die Wärmespannung hervorgerufen wird, minimiert und damit eine gesteigerte Meßgenauigkeit für den Druck in der Zylinderbohrung gewährleistet.

Da ferner die Wärmespannungen der keramischen Membran 10 und der anderen Bauteile des Fühlers durch die Umlenkkonstruk­ tion minimiert werden, wird die Standzeit der Membran 10 und des Fühlers selbst in wirksamer Weise erhöht.

Der erfindungsgemäße Druckfühler ist auch insofern von Vor­ teil, als der radial innenliegende Arbeitsbereich der kerami­ schen Membran 10 gegen eine plötzliche Temperaturänderung geschützt ist, weil die die Trennscheibe 26 durchsetzenden kleinkalibrigen Öffnungen 36 auf den radial außenliegenden, untätigen Teil der Membran 10, der im wesentlichen keine Verformung erfährt, ausgerichtet sind.

Es wurde mit dem erfindungsgemäßen Druckfühler ein Versuch durchgeführt, um den Druck in der Zylinderbohrung einer Brenn­ kraftmaschine zu messen. Dieser Versuch hat deutlich gezeigt, daß der Ausgang des Fühlers eine effektive Änderung des Drucks in der Zylinderbohrung exakt wiedergegeben hat, wie durch die ausgezogene Linie in der Fig. 3 angegeben ist. Die gestri­ chelte Linie in Fig. 3 zeigt dagegen eine Änderung im Aus­ gangspegel eines herkömmlichen Druckfühlers an, bei dem eine keramische Membran angewendet wird, die unmittelbar einer geradlinigen Strömung des Gases von der Zylinderbohrung her ausgesetzt ist. Aus der Fig. 3 wird deutlich, daß bei dem herkömmlichen Druckfühler ein Meßfehler vorliegt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen abgewandelte Ausführungsformen gemäß der Erfindung, wobei aus Gründen der Kürze und der Vereinfa­ chung die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 und 2 verwen­ det werden, um funktionell einander entsprechende Bauteile zu bezeichnen, so daß eine neuerliche Beschreibung dieser Bauteile entfallen kann.

Der in Fig. 4 gezeigte Druckfühler unterscheidet sich von der vorherigen Ausführungsform in der Leit- oder Umlenkkon­ struktion. Im einzelnen weist die Bodenwand 20 des zylindri­ schen Gehäuses 16 mehrere kleinkalibrige Öffnungen 38 auf, die den radial außenliegenden Teil der Bodenwand durchsetzen und in der Umfangsrichtung des Gehäuses 16 zueinander beab­ standet sind. Die Trennscheibe 26 wird in ihrem radial mit­ tigen Teil von einer großkalibrigen Öffnung 40 durchsetzt derart, daß der Umfangsteil dieser Öffnung 40 radial einwärts einen Abstand von den Mitten der kleinkalibrigen Öffnungen 38 hat. Bei dieser Anordnung steht der erste Raum 30, zu dem die Membran 10 unmittelbar freiliegt, mit dem zweiten Raum 32 durch die großkalibrige Öffnung 40 in Verbindung, während der zweite Raum 32 mit der Umgebung durch die kleinkalibrigen Öffnungen 38 Verbindung hat.

Auch bei dieser abgewandelten Ausführungsform wird eine Strö­ mung des Meßmediums zur unteren, ersten Fläche der kerami­ schen Membran 10 durch die Bodenwand 20 und die Trennscheibe 26 abgelenkt. Insofern wird der Arbeitsbereich der Membran 10 gegen ein direktes Auftreffen eines geradlinigen Stroms des Mediums abgeschirmt und folglich gegenüber einer plötzli­ chen Temperaturänderung des Mediums innerhalb des ersten Rau­ mes geschützt, die ansonsten auftreten würde, wenn das Me­ dium aus einem heißen Verbrennungsgas und einem kühlen Ansaug­ gas einer Brennkraftmaschine beispielsweise besteht.

Der Druckfühler von Fig. 5 unterscheidet sich von den vorher­ gehenden Ausführungsformen in der Anordnung der Verformungs­ fühleinrichtung, um eine Größe einer Dehnung oder Verformung der keramischen Membran als einen elektrischen Ausgang zu ermitteln. Im einzelnen ist das keramische, zylindrische Stützglied 12 mit einem keramischen, scheibenförmigen Boden 44 sowie einem keramischen Abstandsring 42 und der kerami­ schen Membran 10 ausgebildet, die einstückig aufeinanderge­ schichtet sind derart, daß der Boden 44 das untere Ende des Stützgliedes 12 verschließt und der Abstandsring 42 zwischen den Boden 44 sowie die Membran 10 eingefügt ist. Folglich ist die keramische Membran 10 am Stützglied 12 durch den Ab­ standsring 42 und den Boden 44 befestigt.

Bei dieser Anordnung sind einander gegenüberliegende mittige Teile des Bodens 44 und der Membran 10 voneinander mit einem geeigneten Abstand durch den Abstandsring 12 getrennt, so daß durch diese mittigen Teile des Bodens 44 sowie der Mem­ bran 10 und den Abstandsring 42 ein Hohlraum 46 abgegrenzt wird, der mit dem umgebenden Medium in Verbindung steht oder fluiddicht umschlossen ist.

Der Abstandsring 42 und der Boden 44 sind aus einem geeigne­ ten Keramikmaterial, wie Aluminiumoxid, Zirkonia, Mullit und Siliziumnitrid, gefertigt. Eine ungebrannte, geformte Kera­ mikmasse für den Abstandsring 42 und den Boden 44 wird ge­ trennt von oder einstückig mit einer ungebrannt geformten Masse der Membran 10 vorbereitet und in geeigneter, bekann­ ter Weise gesintert. Für eine leistungsfähige Herstellung und verbesserte Standzeit des Fühlers ist es vorzuziehen, eine ungebrannte keramische Schichtenstruktur, die aus ge­ schichteten, ungesinterten Plättchen für die Membran 10, den Abstandsring 42 und den Boden 44 besteht, vorzubereiten und zu brennen.

Die Membran 10 und der Boden 44 haben jeweils eine erste und eine zweite Elektrode 48 bzw. 50, die an den den Hohlraum 46 begrenzenden, einander zugewandten Flächen ausgebildet sind. Diese Elektroden 48 und 50 werden aus Platin, Gold, Silber, Palladium oder einem anderen leitfähigen Material durch Aufdrucken auf die Oberflächen der gebrannten Membran 10 und des gebrannten Bodens 44, bevor diese Teile miteinan­ der verbunden werden, ausgebildet. Andererseits können die Elektroden an den Flächen der jeweiligen ungesinterten Plätt­ chen für die Membrän 10 und den Boden 44 gebildet werden, bevor die grünen Plättchen für die Membran 10, den Abstands­ ring 42 und den Boden 44 aufeinandergeschichtet werden.

Die erste und die zweite Elektrode 48 bzw. 50 sind insofern zueinander beabstandet, so daß die Elektroden 48, 50 vonein­ ander elektrisch isoliert sind. Wenn auf die keramische Mem­ bran 10 ein Druck einwirkt, so ändert sich auf Grund der Ver­ formung der Membran 10 der Abstand zwischen den beiden Elek­ troden 48 und 50, so daß sich die elektrostatische Kapazität zwischen den beiden Elektroden 48 und 50 als eine Funktion der Größe der Verformung der Membran 10 ändert. Demzufolge kann der auf die Membran 10 einwirkende Druck durch Ermitteln der statischen Kapazität zwischen der ersten und zweiten Elektro­ de 48 und 50 gemessen oder bestimmt werden.

Wie bei den vorherigen Ausführungsformen nach der Fig. 1 und 4, wobei die Brückenschaltung (Widerstände 14 usw.) verwen­ det wird, kann der die oben beschriebene Verformungsfühlein­ richtung benutzende Druckfühler nach Fig. 5 zum Messen des Drucks an einem gewünschten Ort, beispielsweise des Drucks in der Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine, verwendet werden. Der erfindungsgemäße Druckfühler nach Fig. 5 hat die zur ersten Ausführungsform von Fig. 1 gleiche Leitkon­ struktion.

Wenngleich die Erfindung anhand ihrer derzeit bevorzugten Ausführungsformen lediglich zu Erläuterungszwecken beschrieben worden ist, so ist klar, daß die Erfindung nicht auf die Ein­ zelheiten dieser Ausführungsformen begrenzt ist.

Beispielsweise ist die Leit- oder Umlenkkonstruktion, die an dem Druckfühler vorgesehen ist, nicht auf die dargestell­ ten Ausführungsformen beschränkt, wobei die beiden Lenkplat­ tenteile (Bodenwand 20 und Trennscheibe 26) verwendet werden. Es ist klar, daß die Umlenkkonstruktion ein einzelnes Lenk­ plattenteil oder drei oder mehr Lenkplattenteile verwenden kann. Kommt eine einzelne Lenkplatte zur Anwendung, so sollen die Öffnungen 36 in einem radial äußeren Teil dieser ausgebildet werden, wie in Fig. 6 dargestellt ist, so daß der mittige Arbeitsbereich der keramischen Membran 10 gegen ein direktes Auftreffen eines geradlinigen Stroms des zu mes­ senden Mediums geschützt ist.

Ferner kann die Umlenkkonstruktion derart abgewandelt wer­ den, daß die Verbindungsöffnungen durch die Zylinderwand 24 des Gehäuses 16 statt durch die Bodenwand 20 und die Trenn­ scheibe 26 hindurch ausgebildet werden.

Die verschiedenen, vorstehend erläuterten Ausführungsformen des Druckfühlers zeichnen sich alle durch die Leit- oder Um­ lenkkonstruktion zum Schutz der keramischen Membran 10 aus. Deshalb sind die anderen Teile oder funktionellen Einrich­ tungen des Fühlers, wie die Belastungsfühleinrichtung, nicht auf die speziellen Ausgestaltungen und Anordnungen, die hier dargestellt wurden, begrenzt, sondern können je nach Notwen­ digkeit verändert oder abgewandelt werden. Es sollte ferner klar sein, daß die Umlenkkonstruktion aus einem anderen ge­ eigneten Material als die oben angegebenen Materialien ge­ fertigt werden kann.

Wenngleich die erläuterten Ausführungsformen dazu ausgebil­ det und imstande sind, den Druck in der Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine zu messen, so kann der gemäß der Erfindung aufgebaute Druckfühler in anderen Fällen Anwendung finden. lnsbesondere ist der erfindungsgemäße Druckfühler für ein Messen des Drucks einer Atmosphäre, eines Mediums oder eines Fluids, deren bzw. dessen Temperatur sich in erheblichem Ausmaß ändert, geeignet.

Es ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung mit ver­ schiedenen anderen Änderungen, Abwandlungen und Verbesserun­ gen, die dem Fachmann geläufig sind, verwirklicht werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung und den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (8)

1. Druckfühler mit einer keramischen Membran (10), die an einer ersten ihrer entgegengesetzten Flächen einem Meßme­ dium in einem Außenraum ausgesetzt und im Ansprechen auf einen Druck des Meßmediums verformbar ist, und mit einer Verformungsfühleinrichtung (14, 48, 50) zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangs, der eine Größe der Verformung der keramischen Membran wiedergibt, gekennzeichnet durch

• - ein Stützglied (12), das die keramische Membran (10) an ihrem Außenumfangsteil fest lagert, so daß der mitti­ ge Arbeitsbereich der Membran im Ansprechen auf den Druck eines darauf einwirkenden Meßmediums verformbar ist, und
• - durch eine Umlenkkonstruktion (20, 24, 26), die benach­ bart zur ersten Fläche (22) der keramischen Membran (10) angeordnet ist sowie Teile umfaßt, die mit der ersten Fläche zusammen einen Raum (30) abgrenzen, zu dem hin die erste Fläche (22) der Membran freiliegt, wobei die Umlenkkonstruktion wenigstens eine Verbindungsöffnung (34, 36, 38, 40) für eine Verbindung zwischen dem Raum (30) und dem Außenraum aufweist, so daß die erste Fläche des mittigen Arbeitsbereichs der Membran gegen ein unmit­ telbares Auftreffen des geradlinigen Stroms des Meßme­ diums vom Außenraum zum mittigen Arbeitsbereich der Mem­ bran (10) geschützt ist.

2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkkonstruktion mehrere Lenkplattenteile (20, 26) umfaßt, die voneinander sowie von der ersten Fläche (22) der keramischen Membran (10) in einer im wesentlichen zur ersten Fläche rechtwinkligen Richtung beabstandet sind, daß die wenigstens eine Verbindungsöffnung aus einer die Dicke eines jeden der mehreren Lenkplattenteile durchsetzenden Öffnung (34, 36, 38, 40) besteht, so daß die wenigstens eine, durch eines der Lenkplattenteile (20) hindurch ausgebildete Öffnung (34, 38) von der wenig­ stens einen Verbindungsöffnung (36, 40), die durch ein anderes der Lenkplattenteile (26) hindurch ausgebildet ist, in einer im wesentlichen zur ersten Fläche (22) der keramischen Membran (10) parallelen Richtung beabstandet ist.

3. Druckfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Lenkplattenteile zwei Lenkplattenteile (20, 26) umfassen.

4. Druckfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der zwei Lenkplattenteile aus einer Bodenwand (20) des Gehäuses (16), in dem das Stützglied (12), die keramische Membran (10) und das andere Lenkplattenteil (26) aufgenommen sind, besteht und das andere Lenkplat­ tenteil (26) die Kammer in zwei Räume (30, 32) teilt, die untereinander durch die wenigstens eine, das andere Lenkplattenteil durchsetzende Verbindungsöffnung (36, 40) verbunden sind.

5. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkkonstruktion ein einzelnes Lenkplattenteil (26) umfaßt, das von der ersten Fläche (22) der kerami­ schen Membran (10) in einer im wesentlichen zu dieser ersten Fläche rechtwinkligen Richtung beabstandet ist, und daß die wenigstens eine Verbindungsöffnung (36) auf einen dem Außenumfang der keramischen Membran nahegele­ genen Teil ausgerichtet ist.

6. Druckfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das einzelne Lenkplattenteil von einer Bodenwand eines Gehäuses (16), in dem das Stützglied (12) und die kera­ mische Membran (10) aufgenommen sind, gebildet ist.

7. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsfühleinrichtung wenigstens einen an der zweiten Fläche der einander entgegengesetzten Flächen der keramischen Membran (10) ausgebildeten Widerstand (14) umfaßt, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Größe einer durch den Druck des Meßmediums hervor­ gerufenen Verformung der keramischen Membran ändert, wo­ bei der Druck durch den Widerstandswert gemessen wird.

8. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsfühleinrichtung eine erste, an der zweiten der einander entgegengesetzten Flächen der keramischen Membran (10) ausgebildete Elektrode (48) sowie eine zwei­ te, in beabstandeter Lagebeziehung zur ersten Elektrode fest angeordnete und gegenüber der ersten Elektrode elek­ trisch isolierte Elektrode (50) umfaßt, wobei eine stati­ sche Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elek­ trode sich in Abhängigkeit von der Größe der durch den Druck des Meßmediums hervorgerufenen Verformung der kera­ mischen Membran ändert und der Druck durch diese stati­ sche Kapazität gemessen wird.