Датчик

Использование: для измерения давления. Сущность: датчик имеет измерительную ячейку (6) для измерения давления с измерительной мембраной, деформируемой или прогибающейся под действием находящейся под давлением анализируемой среды. В этом датчике в качестве измерительной схемы предусмотрен измерительный мост, который размещен непосредственно на измерительной мембране. Непосредственно на измерительной мембране закреплена с помощью токопроводящего клея также выполненная в виде гибридной интегральной схемы ИС (8) схема обработки с обеспечением электрического соединения (9, 10) между этой гибридной ИС (8) и измерительной схемой, а также соединения с корпусом (2, 3) датчика (1). Для электрического соединения выводов гибридной ИС (8) со штекерами (11) штекерной колодки (4) можно использовать, например, прижимные контакты (13). Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к датчику, прежде всего датчику высокого давления, согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения.

В подобном датчике давления, который известен, например, из заявки DE 19603674.7 А1, соответствующие сигналы регистрируются с помощью изготовленной из высококачественной стали измерительной ячейки для измерения давления, при этом на не контактирующей с анализируемой средой стороне мембраны размещен измерительный мост с активными сопротивлениями в плечах, выполненный, например, по тонкопленочной технологии. В процессе работы датчика деформации измерительной мембраны, обусловленные изменениями давления анализируемой среды, сопровождаются сжатием или растяжением имеющих форму полосок резистивных элементов и тем самым изменением электрического сопротивления отдельных резистивных элементов.

Для реакции на подобное изменение электрического сопротивления и для усиления сигнала используется электронная схема обработки, размещенная на печатной плате.

В известном датчике электрическое соединение измерительной ячейки со схемой обработки осуществляется через напаянную пленочную токопроводящую дорожку или же при определенных условиях через дополнительный вспомогательный носитель, так называемый спейсер. При этом такой спейсер электрически соединен с измерительной ячейкой микросваркой, а размещенная на спейсере схема обработки присоединена пайкой. Для электрического соединения схемы обработки со штекером, также предусмотренным в датчике, используются либо припаянные гибкие электрические проводники, либо непосредственно вставные контактные штырьки, которые сверху на переходном участке к корпусу датчика изолированы мягкой резиной.

В основу настоящего изобретения была положена задача упростить конструкцию описанного выше датчика и сделать его тем самым более рентабельным в изготовлении, при этом такой датчик должен обеспечивать надежное измерение высокого давления агрессивных сред, таких, например, как масло, дизельное топливо, бензин или тормозная жидкость, используемых в автомобилях, при работе в условиях высоких вибрационных и тепловых нагрузок.

Из патента US 5656780 известен датчик, имеющий измерительную ячейку для измерения давления. В этом датчике его электронные измерительные схемы, соответственно чувствительные структуры, выполнены на нижней стороне изолирующей подложки, вставленной в корпус датчика. На верхней стороне изолирующей подложки расположена гибридная интегральная схема (ИС), которая электрически соединена с расположенными на нижней стороне измерительными схемами металлизированными отверстиями. Эта изолирующая подложка с измерительными схемами наложена на измерительную мембрану.

Преимущества изобретения

Преимущество усовершенствованного в соответствии с изобретением датчика указанного в начале описания типа с отличительными признаками п.1 формулы изобретения состоит в возможности закрепления схемы обработки, выполненной в виде гибридной ИС, вместе с измерительной схемой, т.е. с измерительным мостом, непосредственно на измерительной мембране с обеспечением электрического соединения между этой схемой обработки и измерительной схемой, а также соединения с корпусом датчика ("массой").

Согласно одному из наиболее предпочтительных вариантов выводы гибридной ИС предлагается электрически соединять в датчике со штекерами штекерной колодки прижимными контактами. В качестве подобных прижимных контактов при этом в наиболее простом случае можно использовать либо S-образные листовые пружины, либо винтовые пружины сжатия, при этом винтовые пружины сжатия расположены в выполняющей функцию держателя втулке либо на гибридной ИС, либо на штекерной колодке.

Предлагаемую в изобретении электронную схему обработки можно изготавливать по известной гибридной технологии, например в виде специализированной ИС (СИС), и приклеивать непосредственно к несущей измерительную мембрану измерительной ячейке. Необходимое электрическое соединение с корпусом датчика обеспечивается при этом без использования дополнительных деталей, в чем также состоит одно из преимуществ предлагаемого в изобретении датчика. Благодаря этому отпадает необходимость в проведении трудоемких процессов пайки или микросварки, поскольку указанное электрическое соединение обеспечивается одновременно с креплением гибридной ИС к измерительной мембране. Помимо этого отпадает необходимость и в применении используемых согласно уровню техники гибких пленочных токопроводящих дорожек или вспомогательных носителей, так называемых спейсеров, в качестве соединительных элементов, что позволяет значительно сократить производственные расходы.

Другие преимущества предлагаемого в изобретении датчика состоят в наличии исключительно коротких и симметричных электрических соединений между измерительным мостом и схемой обработки. В результате достигается высокая степень электромагнитной совместимости. Благодаря указанным преимуществам датчик имеет более компактную конструкцию, в которой тем самым уменьшено не только количество электрических соединительных элементов, но и количество мест возможного возникновения неисправности, что значительно увеличивает срок службы датчика. Помимо этого датчик благодаря компактной конструкции имеет меньшее количество восприимчивых к вибрациям механических деталей и поэтому обладает более высокой вибростойкостью.

Применение винтовых пружин сжатия или S-образных листовых пружин позволяет упростить и автоматизировать сборку деталей штекерной колодки.

Измерительную ячейку наиболее предпочтительно располагать на сборном, состоящем из нескольких частей напорном штуцере, у которого измерительная ячейка изначально закреплена на резьбовом штуцере, который для подвода анализируемой среды привинчивается к агрегату или трубопроводу. Такой резьбовой штуцер жестко или неподвижно соединен с основным корпусом.

Благодаря подобному разделению напорного штуцера на отдельные детали, что позволяет по отдельности изготавливать основной корпус и резьбовой штуцер, удается уменьшить габаритную высоту датчика, поскольку измерительную ячейку можно сначала приварить по окружности к резьбовому штуцеру без ее помещения в основной корпус. В результате повышается рентабельность изготовления напорного штуцера и существенно сокращается объем обработки резьбового штуцера резанием по сравнению с цельным исполнением такого штуцера.

Резьбовой штуцер предпочтительно затем приваривать со стороны его резьбы к основному корпусу. При этом основному корпусу достаточно просто придать шестигранную форму, которая является предпочтительной для захвата соответствующим инструментом при установке датчика на агрегат, и выполнить его в виде детали, изготавливаемой либо фрезерованием, либо наиболее экономичным методом глубокой вытяжки. Такой шестигранный корпус можно изготавливать в отличие от резьбового штуцера из менее прочного и поэтому более дешевого материала. Помимо этого благодаря заключению схемы обработки в подобного рода металлический кожух можно ожидать улучшения параметров электромагнитной совместимости датчика, что предпочтительно прежде всего при малых девиациях сигнала, снимаемого с измерительной ячейки.

В целом же выполнение напорного штуцера из нескольких отдельных деталей позволяет минимизировать воспринимаемые измерительной ячейкой механические напряжения и тем самым дрейф сигнала под действием момента затяжки, а выполнение основного корпуса в виде отдельной детали позволяет в свою очередь использовать более короткую штекерную колодку из пластмассы, что обеспечивает более надежное ее механическое соединение с корпусом и тем самым повышает вибростойкость всей конструкции.

Согласно одному из предпочтительных вариантов предлагаемый в изобретении датчик можно использовать в качестве датчика высокого давления для измерения давления масла, дизельного топлива, бензина или тормозной жидкости, используемых в автомобиле.

Рассмотренные выше, а также другие отличительные особенности предпочтительных вариантов осуществления изобретения помимо формулы изобретения представлены также в последующем описании и на чертежах, при этом отдельные отличительные признаки индивидуально или в виде различных комбинаций могут использоваться для реализации предлагаемого в изобретении решения в том числе в других областях его применения и могут характеризовать различные предпочтительные, а также охраноспособные варианты его осуществления.

Чертежи

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов выполнения датчика в виде датчика высокого давления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - разрез выполненного по первому варианту датчика высокого давления, имеющего гибридную ИС на измерительной ячейке, которая с помощью отдельного резьбового штуцера крепится к шестигранному корпусу,

на фиг.2 - другой вариант выполнения показанного на фиг.1 датчика с шестигранным корпусом, выполненным в виде детали, изготовленной глубокой вытяжкой, и

на фиг.3 - поперечное сечение шестигранного корпуса датчика, показанного на фиг.2.

Описание вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 показан датчик 1 высокого давления, корпусными деталями которого являются резьбовой штуцер 2, шестигранный корпус 3 и штекерная колодка 4. Шестигранная форма корпуса 3 позволяет с помощью соответствующего инструмента привинчивать весь датчик в сборе его резьбовым штуцером 2 к определенному агрегату или к находящемуся под давлением трубопроводу, например к топливному аккумулятору высокого давления в системе впрыскивания топлива типа "common rail". Вставляемая в шестигранный корпус 3 штекерная колодка 4 неподвижно или жестко фиксируется в нем с помощью уплотнений или с применением иных методов соединения.

В резьбовом штуцере 2 имеется впускное отверстие 5 для находящейся под давлением анализируемой среды, а в конце этого впускного отверстия 5 расположена измерительная ячейка 6 для измерения давления с измерительной мембраной. Эта измерительная ячейка 6 приварена к резьбовому штуцеру 2 по окружности.

На измерительной ячейке 6 в данном случае с обеспечением электропроводности закреплена металлическая шайба 7 или металлическая втулка таким образом, что торцевая поверхность такой шайбы или втулки лежат в одной плоскости с поверхностью мембраны, на которой размещен работающий по известному принципу измерительный мост с активными сопротивлениями в плечах. На этой конструкции расположена печатная плата с гибридной интегральной схемой (ИС) 8 в качестве схемы обработки.

Гибридная ИС 8, выполненная, например, в виде так называемой специализированной интегральной схемы, имеет на обращенной к измерительной ячейке 6 стороне контактные площадки 9 и 10, которые металлизированными отверстиями электрически соединены с обратной ее стороной. Контактные площадки 9 геометрически расположены таким образом, что при сборке они накладываются на контактные площадки измерительного моста на измерительной ячейке 6, образуя электрическое соединение. Контактная площадка 10, которая может быть выполнена кольцевой или круговой, обеспечивает соединение гибридной ИС с корпусом ("массой") через металлическую шайбу 7.

В рассматриваемом варианте гибридная ИС 8 приклеена ее контактными площадками 9 и 10 к измерительной ячейке 6 и металлической шайбе 7 или гильзе токопроводящим клеем. Тем самым простым путем обеспечивается не только соединение гибридной ИС 8 с корпусом ("массой") и измерительным мостом, но и ее закрепление.

В показанном на фиг.1 варианте для электрического соединения гибридной ИС 8 со штекерами 11, расположенными в гнезде или полости штекерной колодки 4, используется, например, пружина сжатия, соответственно 8-образная листовая пружина 13. В данном случае листовая пружина 13 одной ее стороной приклеена токопроводящим клеем непосредственно к гибридной ИС 8, а с другой стороны контактирует с контактными выводами 14 штекеров 11. В месте электрического соединения гибридной ИС со штекерами, обеспечиваемого с помощью пружины сжатия, к гибридной ИС 8 приклеена втулка 15, выполняющая функцию держателя.

В показанном на фиг.2 и 3 варианте предусмотрен шестигранный корпус 20, который выполнен в виде детали, изготовленной глубокой вытяжкой. На этих чертежах элементы, которые конструктивно или функционально аналогичны рассмотренным выше в описании первого варианта элементам, обозначены теми же позициями, что и на фиг.1. Основное отличие состоит лишь в соответствующем исполнении измерительной ячейки 21 для измерения давления за счет согласования ее геометрии с конструктивными особенностями выполненного по этому варианту датчика, а также в соединении штекерной колодки 4 с шестигранным корпусом 20 с помощью клея 22.

В данном случае гибридная ИС электрически соединена со штекерами 11 контактными выводами 23 и винтовыми пружинами 12 сжатия, которые удерживаются в штекерной колодке 4 в соответствующих втулках 24.

1. Датчик, имеющий измерительную ячейку (6) для измерения давления с измерительной мембраной, деформируемой или прогибающейся под действием находящейся под давлением анализируемой среды, измерительную схему, которая размещена непосредственно на измерительной мембране, а также соединенную с ней схему обработки, выполненную в виде гибридной интегральной схемы (ИС) (8), и электрически соединенную с измерительной схемой и/или схемой (8) обработки штекерную колодку (4), отличающийся тем, что гибридная ИС закреплена непосредственно на измерительной мембране токопроводящим клеем, обеспечивающим электрическое соединение (9,10) между гибридной ИС (8) и размещенной на измерительной мембране измерительной схемой, а также соединение измерительной схемы с корпусом (2, 3) ("массой").

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что выводы гибридной ИС (8) электрически соединены со штекерами (11) штекерной колодки (4) прижимными контактами (12, 13).

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что прижимными контактами являются S-образные листовые пружины (13).

4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что прижимными контактами являются винтовые пружины (12) сжатия, которые расположены в выполняющей функцию держателя втулке (15; 24), либо на гибридной ИС (8), либо на штекерной колодке (4).

5. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что измерительная ячейка (6) закреплена на сборном, состоящем из нескольких частей напорном штуцере, при этом измерительная ячейка (6) закреплена на резьбовом штуцере (2), который для подвода анализируемой среды привинчивается к агрегату или трубопроводу и который жестко или неподвижно соединен с основным корпусом (3), предназначенным для установки датчика (1) и для размещения штекерной колодки (4).

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что измерительная ячейка (6) по окружности приварена к резьбовому штуцеру (2), который, в свою очередь, приварен со стороны его резьбы к основному корпусу (3).

7. Датчик по п.5 или 6, отличающийся тем, что основной корпус выполнен в виде шестигранного корпуса (3; 20).

8. Датчик по п.7, отличающийся тем, что шестигранный корпус (20) выполнен в виде детали, изготовленной глубокой вытяжкой.

9. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он представляет собой датчик высокого давления для измерения давления масла, дизельного топлива, бензина или тормозной жидкости, используемых в автомобиле.