DE10234773A1

DE10234773A1 - Fuel injection system pressure sensor has ceramic layers connected to conductors for a sensor signal and a PZT (lead-zirconium-titanium) film placed over them

Info

Publication number: DE10234773A1
Application number: DE2002134773
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-12

Abstract

The pressure sensor for a fuel injection system has a number of ceramic layers and conductors for the sensor signal, whereby the ceramic layers (2) have a planar PZT (lead-zirconium-titanium) film placed over them and electrically connected to the conductors. An Independent claim is included for a fuel injection system.

Description

Die Erfindung betrifft ein in ein Einspritzsystem integrierbaren Drucksensor.The invention relates to a in Injection system integratable pressure sensor.

Aus der DE 197 16 521 C2 und der DE 198 24 778 A1 sind Drucksensoren für niedrige Drücke bekannt, die einen Aufbau mit mehreren Keramikschichten und elektrischen Ableitungen zeigen. Die Keramikschichten haben einen im Inneren angeordneten Hohlraum. In diesem Hohlraum sind mehrere Elektroden angeordnet, die einen oder mehrere Kondensatoren bilden. wird der Sensor mit Druck oder Kraft beaufschlagt, so biegt sich die oberste Keramikschicht durch, der Abstand der Kondensatorelektroden verändert sich und die Kapazität des Sensors wird dadurch verändert. Anhand der Kapazitätsänderung kann auf den Druck oder die einwirkende Kraft zurückgeschlossen werden. Diese Sensoren sind nur für geringe Drücke und damit nicht für Einspritzsysteme mit hohen Einspritzdrücken insbesondere für Commonrail-Dieselmotoren geeignet. Die Keramikschichten werden mittels der LTCC-Technologie, wie sie auch aus der DE 196 15 787 A1 bekannt ist, hergestellt.From the DE 197 16 521 C2 and the DE 198 24 778 A1 are known pressure sensors for low pressures, showing a structure with multiple ceramic layers and electrical leads. The ceramic layers have a cavity arranged inside. In this cavity a plurality of electrodes are arranged, which form one or more capacitors. If the sensor is subjected to pressure or force, then the uppermost ceramic layer bends through, the distance of the capacitor electrodes changes and the capacitance of the sensor is thereby changed. Based on the capacity change can be deduced on the pressure or the applied force. These sensors are only suitable for low pressures and thus not for injection systems with high injection pressures, especially for common rail diesel engines. The ceramic layers are made using the LTCC technology, as they are also from the DE 196 15 787 A1 is known, manufactured.

Aus der DE 199 45 677 C1 ist eine elektronische Durchführung für einen Sensor und ein in ein Einspritzsystem integrierbarer Drucksensor mit derartiger elektronischer Durchführungen beschrieben, der mehrere Keramikschichten und Ableitungen für das Sensorsignal aufweist. Der Aufbau und die besondere Wirkungsweise des drucksignalermittelnden Elementes ist nicht beschrieben. Die Patentschrift DE 199 45 677 C1 wird zur Bildung des Oberbegriffs herangezogen.From the DE 199 45 677 C1 an electronic implementation is described for a sensor and an integratable into an injection pressure sensor with such electronic feedthroughs, which has a plurality of ceramic layers and leads for the sensor signal. The structure and the special operation of the pressure signal detecting element is not described. The patent DE 199 45 677 C1 is used to form the generic term.

Aus der DE 195 03 517 C1 ist der Aufbau einer PZT-Dickschicht und ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben. PZT-Werkstoffe (Blei-Zirkonium-Titanate) werden als piezoelektrische Werkstoffe in verschiedenen Strukturen und Formen verwendet. Beispielsweise ist es bekannt, Fasern unter Verwendung von PZT-Werkstoffen herzustellen und mit diesen die Spannung der Fasern in einem Faserverbund zu detektieren. Die PZT-Werkstoffe werden in einer Vielzahl von Anwendungen als Sensor oder Aktor verwendet. Darüber hinaus sind auch Anwendungen als Resonatoren oder als Speicher für Informationen bekannt. Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung der PZT-Werkstoffe bekannt.From the DE 195 03 517 C1 the construction of a PZT thick film and a method for their preparation is described. PZT materials (lead zirconium titanates) are used as piezoelectric materials in various structures and shapes. For example, it is known to produce fibers using PZT materials and to detect with them the tension of the fibers in a fiber composite. The PZT materials are used in a variety of applications as a sensor or actuator. In addition, applications as resonators or as memory for information are known. Various methods for producing the PZT materials are known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzsystem bzw. einen dafür vorgesehenen Drucksensor anzugeben, welche eine sichere Aussage über den Druck bzw. Druckverlauf auch bei hohen Einspritzdrücken ermöglichen.The invention is based on the object Injection system or one for it specify provided pressure sensor, which provides a reliable statement about the Allow pressure or pressure curve even at high injection pressures.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen in ein Einspritzsystem integrierbaren Drucksensor mit dem Merkmal des Anspruchs 1 und ein Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8.This task is solved by an integratable into an injection pressure sensor with the feature of claim 1 and an injection system having the features of the claim 8th.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of Invention are the subject of the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Drucksensor, der in ein Einspritzsystem insbesondere für Commonrail-Dieselmotoren integrierbar ist zeigt mehrere Keramikschichten, die insbesondere mittels LTCC-Technologie realisiert sind. Diese Keramikschichten werden übereinander angeordnet, zusammengefügt, ggf. verklebt, und am Ende bei einer niedrigen Temperatur gesintert und dadurch fest und unlöslich miteinander verbunden. Hierdurch entsteht ein sogenannter Keramikchip. Dieser Keramikchip zeichnet sich aus durch seine chemischen und mechanische und thermische Widerstandsfähigkeit. Er erweist sich für den Einsatz in einem Einspritzsystem mit den dort vorhandenen Stoffen und Zuständen als sehr geeignet. Beispielsweise zeigen die verwendeten Kraftstoffe eine nicht unbeachtliche chemische Aggressivität; auch die verwendeten Drücke insbesondere im Bereich von über 1000 bar und die damit verbundenen mechanischen Belastungen sowie die Vibrations- und Temperaturbelastungen im Bereich eines Verbrennungsmotores machen das besondere Anforderungsprofil für einen derartigen Drucksensor deutlich. Auf die Keramikschichten wird eine flächig ausgebildete PZT-Anordnung aufgebracht. Mit Hilfe der flächigen PZT-Anordnung ist möglich, sehr aussagekräftige Signale zu Druck, Kraft bzw. Spannungsveränderungen in der PZT-Anordnung, die einen Aufbau aus einer Blei-Zirkonat-Titanat-Struktur zeigt, zu gewinnen. Hierbei wird der piezoelektrische Effekt der PZT-Werkstoffe verwendet. Durch die flächige Ausbildung sind große Mengen an PZT-Materialien dem Einfluß der einzuspritzenden Kraftstoffe ausgesetzt, so daß ein beachtliches und leicht auszuwertendes Signal entsteht. Dies um so mehr, da durch die flächige Ausbildung der PZT-Anordnung ein sicheres Verbinden der PZT-Anordnung mit den Keramikschichten erreicht werden kann. Dieser Aufbau ist auch für hohe Drücke geeignet, weshalb der Meßbereich gerade auch hohe Drücke und Druckunterschiede mit umfassen kann bzw. umfaßt. Dabei ist die PZT-Anordnung mit zwei Elektroden und Ableitungen bzw. Ableitungen versehen, die das durch die PZT-Anordnung sensierte Drucksignal an eine Auswerteeinheit, die mit dem Drucksensor verbunden ist, weiterleiten.The pressure sensor according to the invention, in a Injection system especially for Commonrail diesel engines can be integrated shows several ceramic layers, which are realized in particular by means of LTCC technology. This Ceramic layers are superimposed arranged, assembled, possibly glued, and finally sintered at a low temperature and thereby firm and insoluble connected with each other. This creates a so-called ceramic chip. This ceramic chip is characterized by its chemical and mechanical and thermal resistance. He proves himself for the mission in an injection system with the existing substances and conditions as very suitable. For example, the fuels used show a not inconsiderable chemical aggressiveness; also the pressures used in particular in the range of over 1000 bar and the associated mechanical loads as well the vibration and temperature loads in the area of an internal combustion engine make the special requirement profile clear for such a pressure sensor. On the ceramic layers is a flat PZT arrangement applied. With the help of the flat PZT arrangement is possible very meaningful Signals to pressure, force or voltage changes in the PZT arrangement, the one Construction of a lead zirconate titanate structure shows winning. in this connection the piezoelectric effect of the PZT materials is used. By the areal Education is great Exposing quantities of PZT materials to the influence of the fuels to be injected, so that one considerable and easily evaluated signal is produced. This around more so, because of the two-dimensional Forming the PZT arrangement a secure connection of the PZT arrangement can be achieved with the ceramic layers. This structure is also for high pressures suitable, which is why the measuring range especially high pressures and pressure differences may include. there is the PZT arrangement with two electrodes and leads or leads provided by the PZT arrangement sensed pressure signal to an evaluation unit connected to the pressure sensor connected, forward.

Durch die erfindungsgemäße Abkehr von Hohlräumen im Inneren der Keramikschichten mit den darin angeordneten Sensorelementen sowie durch die den Übergang zur Verwendung von flächigen PZT-Anordnung gelingt es sehr sicher hohe Drücke zu messen. Darüber hinaus zeigt dieser Drucksensor einen sehr sicheren und widerstandsfähigen Aufbau.By the departure of the invention of cavities in the interior of the ceramic layers with the sensor elements arranged therein as well as through the transition for the use of flat PZT arrangement succeeds very safe to measure high pressures. Furthermore This pressure sensor shows a very safe and resistant construction.

Nach einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung wird die flächige PZT-Anordnung sandwichartig von zwei Elektroden umklammert. Die eine Elektrode ist auf der Deckfläche der PZT-Anordnung aufgebracht und bildet die Deckelektrode, während die andere Elektrode zwischen der PZT-Anordnung und der obersten Keramikschicht angeordnet ist und mit beiden flächig und dauerhaft verbunden ist. Durch diese besondere Anordnung der Elektroden zur Ableitung des Sensorsignals in Verbindung mit den Ableitungen des Drucksensors gelingt es, gerade bei der Verwendung von widerstandsfähigem metallischem Elektrodenmaterial, einen besonderen Schutz der PZT-Werkstoffes zu erreichen, indem der mechanische, chemische oder thermische zersetzende oder schädigende Einfluß des Kraftstoffes auf den Sensor wesentlich abgeschwächt ist. Zusätzlich gelingt es, durch die großflächige Ausbildung der Elektroden, die die ganze PZT-Fläche ganz oder weitgehend umfaßt, ein sehr wirksames Abgreifen der elektrischen Signale zu erreichen. Zudem sind die elektrischen Signale durch das vollflächige Krafteinbringen, Druckeinbringen der Kraftstoffe in die PZT-Anordnung besonders ausgeprägt. Dies führt zu einer sehr aussagekräftigen und verläßlichen Information über die Druckverhältnisse in dem Einspritzsystem.According to a preferred embodiment of the invention, the planar PZT arrangement is sandwiched by two electrodes. The one electrode is applied to the top surface of the PZT arrangement and forms the cover electrode, while the other electrode is arranged between the PZT arrangement and the topmost ceramic layer and is connected to both flat and permanently. By This particular arrangement of the electrodes for the derivation of the sensor signal in conjunction with the derivatives of the pressure sensor, it is possible to achieve a special protection of the PZT material, especially in the use of resistant metallic electrode material by the mechanical, chemical or thermal decomposing or damaging influence of Fuel on the sensor is significantly attenuated. In addition, it is possible to achieve a very effective tapping of the electrical signals by the large-area design of the electrodes, which includes the whole PZT area completely or largely. In addition, the electrical signals are particularly pronounced by the full-scale introduction of force, pressure introduction of the fuels in the PZT arrangement. This leads to a very meaningful and reliable information about the pressure conditions in the injection system.

Nach einer anderen Ausbildung der Erfindung wird das elektrische Signal der PZT-Anordnung durch zwei voneinander beabstandete Bodenelektroden abgegriffen. Die beiden Bodenelektroden sind zwischen der PZT-Anordnung und der obersten Keramikschicht angeordnet und durch diese von den störenden Einflüssen des Kraftstoffes oder anderer Umgebungen geschützt. Diese Ausbildung ist für empfindliche Elektrodenmaterialien sehr vorteilhaft, da diese zwar aus elektrischer oder elektrochemischer Sicht als sehr vorteilhaft und nützlich für derartige Sensoranordnungen ist, sie aber umgekehrt nicht die vorteilhaften mechanischen, chemischen, robusten Eigenschaften aufweist, die ein Aussetzen der Elektroden in die Umgebungen des Kraftstoffes oder der Umgebungsluft ermöglicht. Dies führt zu einer sehr wirksamen PZT-Anordnung in einem er findungsgemäßen Drucksensor, der eine ausreichende Widerstandsfähigkeit aufweist.After another training the Invention, the electrical signal of the PZT arrangement by two tapped off ground electrodes spaced apart. The two Bottom electrodes are between the PZT assembly and the top one Ceramic layer arranged and by this of the disturbing influences of the Fuel or other environments protected. This training is for sensitive Electrode materials very advantageous because they are indeed made of electrical or electrochemical view as very beneficial and useful for such Sensor arrangements is, but they are not the other advantageous has mechanical, chemical, robust properties, the Exposure of the electrodes in the surroundings of the fuel or the ambient air allows. this leads to to a very effective PZT arrangement in a pressure sensor according to the invention, which has sufficient resistance.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die flächig ausgebildete PZT-Anordnung mit der obersten Keramikschicht flächig zu verbinden. Durch diese flächige Verbindung ist eine sehr wirksame, widerstandsfähige und dauerhafte Verbindung geschaffen. Diese Verbindung wird vorzugsweise durch Verkleben, flächiges Verkleben oder durch Sintern insbesondere in Verbindung mit dem Zusammensintern der einzelnen Keramikschichten erreicht. Gerade durch diese Art des sinternden Verbindens gelingt es, ein einheitliches zusammenhängendes robustes und fertigungstechnisch einfach mit wenigen Fertigungsschritten herzustellendes Modul als integrierbaren Drucksensor zu realisieren.It has proven to be particularly beneficial proved the area trained PZT arrangement with the top ceramic layer to the surface connect. Through this flat Connection is a very effective, resistant and lasting connection created. This compound is preferably by gluing, flat Gluing or sintering, especially in conjunction with the Merging the individual ceramic layers achieved. Just Through this kind of sintering connection one succeeds, a unified one coherent Robust and easy to manufacture with just a few steps to realize module to be produced as integrable pressure sensor.

Es hat sich besonders bewährt, die PZT-Anordnung in Form einer Folie oder einer PZT-Dickschicht oder als Film aufzubringen und mit den Ableitungen elektrisch zu verbinden. Dabei wird die Folie als Halbfertigprodukt auf den fertiggestellten Keramikschichten aufgebracht und mit diesen dauerhaft verbunden, insbesondere durch Verklebung mit diesen verbunden. Dieses Herstellungsverfahren erweist sich als sehr einfach und sicher. Vorzugsweise sind die Elektroden ebenso als Folienelektroden ausgebildet. Darüber hinaus hat es sich besonders bewährt, die PZT-Werkstoffe in Form eines Sprays, das PZT-Kristalle aufweist, als gesprühten Film auf die Keramikschichten aufzubringen und mit den entsprechenden Elektroden zu verbinden. Durch dieses Verfahren des Aufbringens mittels eines Sprays wird es möglich, nicht nur ebene Flächen mit einer PZT-Anordnung zu versehen, sondern auch gekrümmte keramische Oberflächen damit zu versehen. Durch diese Form des Aufbringens gelingt es auch, fertigungstechnisch bedingte Unebenheiten ohne zusätzlichen Aufwand auszugleichen und dadurch die Herstellung zu vereinfachen. Die PZT-Dickschichtanordnungen werden vorzugsweise durch Bedrucken der Keramikoberfläche mittels einer pastösen PZT kristallhaltigen Substanz unter Verwendung von Masken durchgeführt und anschließend durch Ausheizen bzw. durch Sintern ausgehärtet. Diese Form der Ausbildung hat sich als sehr nützlich erwiesen, da sie einerseits sehr flexibel einsetzbar ist und zum andern unterschiedlichste Dicken der PZT-Anordnung durch die Menge des pastösen Auftrages einfach realisiert werden können. Hierdurch gelingt es, die Form und die Stärke der piezoelektrischen Signale geeignet einzustellen, so daß ein sehr effizientes und wirkungsvolles Auswerten der Drucksensorsignale gegeben ist.It has proven to be particularly effective PZT arrangement in the form of a film or a PZT thick film or as a film and electrically connect with the leads. The film is as semi-finished product on the finished Applied ceramic layers and permanently connected to these, especially connected by bonding with these. This manufacturing process proves to be very easy and safe. Preferably, the Electrodes are also formed as foil electrodes. Furthermore it has proven to be particularly effective the PZT materials in the form of a spray containing PZT crystals as a sprayed film Apply to the ceramic layers and with the appropriate To connect electrodes. By this method of applying by means of a spray it becomes possible not just flat surfaces to be provided with a PZT arrangement, but also curved ceramic surfaces to provide with it. This way of applying it also succeeds Production-related unevenness without additional effort compensate and thereby simplify the production. The PZT thick film arrangements are preferably by printing the ceramic surface by means of a pasty PZT crystal-containing Substance carried out using masks and then by Bake or cured by sintering. This form of education has proved very useful proven, since it is on the one hand very flexible and can be used other most different thicknesses of the PZT arrangement by the amount of pasty order can be easily realized. This makes it possible to control the shape and strength of the piezoelectric signals suitable to adjust so that a very efficient and effective evaluation of the pressure sensor signals given is.

Die Verwendung von Keramikschichten, die unter Verwendung der LTCC-Technologie geschaffen wurden, hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, da diese Keramiken sehr einfach hergestellt werden können, ohne daß hohe Temperaturen für die Keramikbildung notwendig sind. Diese LTC-Keramiken erweisen sich auch als sehr druckresistent, als sehr chemisch inert und als mechanisch sehr stabil. Dies führt dazu, daß der Drucksensor auch in sehr schwierigen Umgebungen, wie sie in einem Einspritzsystem mit den hohen Temperaturen und den aggressiven Lösungsmitteln insbesondere Kraftstoffen vorliegen, dauerhaft seine Aufgaben als Drucksensor insbesondere für hohe Drücke erfüllen kann.The use of ceramic layers, created using LTCC technology proved to be very beneficial because these ceramics very simple can be produced without high Temperatures for the ceramic formation is necessary. These LTC ceramics prove also very resistant to pressure, as very chemically inert and as mechanically very stable. This leads to, that the Pressure sensor even in very difficult environments, as in one Injection system with high temperatures and aggressive solvents especially fuels, permanently fulfilling its tasks as Pressure sensor especially for high pressures fulfill can.

Es hat sich besonders bewährt, die Ableitungen, soweit sie durch die Keramikschichten geführt sind, mäanderförmig auszubilden. Diese mäanderförmige Struktur wird dadurch erreicht, daß durch die einzelnen Keramikschichten Verbindungen mittels Via-Holes oder durch metallgefüllte Hohlräume oder mit dotiertem Material gefüllte Hohlräume verwendet werden, während zwischen den Keramikschichten flächige elektrische Verbindungen zur elektrischen Verbindung der Durchkontaktierungen durch die Keramikschichten verwendet werden. Diese mäanderförmige Struktur gewährleistet eine druckdichte elektrische Verbindung der PZT-Anordnung auf der einen Seite der Keramikschichten zu den elektrischen Anschlüssen auf der anderen Seite der Keramikschichten. Diese elektrischen Anschlüsse werden typischerweise als Bondpads realisiert, die mit externen elektrischen Leitungen beispielsweise durch Löten oder Anschweißen verbunden werden können.It has proven particularly useful to form the derivatives, as far as they are guided by the ceramic layers meandering. This meandering structure is achieved by using connections through via holes or through metal-filled cavities or doped material filled cavities through the individual ceramic layers, while between the ceramic layers planar electrical connections for electrical connection of the vias through the ceramic layers are used. This meandering structure ensures a pressure-tight electrical connection of the PZT device on one side of the ceramic layers to the electrical connections on the other side of the ceramic layers. These electrical connections are typically realized as bond pads, with external electrical lines, for example by soldering or welding can be connected.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Einspritzsystem mit einem erfindungsgemäßen Drucksensor, der in eine Ausnehmung einer Wandung des Einspritzsystems integriert bzw. dafür vorgesehen ist. Das Einspritzsystem, das hohe Einspritzdrücke realisiert, benötigt zur sicheren Regelung des Einspritzverhalten, d. h. beispielsweise des Einspritzdruckes, des Einspritzzeitpunktes, der Einspritzmenge, usw. eine sehr sichere verläßliche Information über die Druckverhältnisse in dem Einspritzsystem. Diese Information wird durch den in das Einspritzsystem integrierten Drucksensor zur Verfügung gestellt. Die Voraussetzungen bzw. Anforderungen des Einspritzsystems mit den hohen Temperaturen im Bereich des Verbrennungsmotors, die hohen Drücke, beispielsweise über 1000 bar Einspritzdruck oder auch von 1500 bar Einspritzdruck bedingen eine starke mechanische Belastung des gesamten Einspritzsystems insbesondere des oder der darin integrierten Drucksensoren zur Bestimmung des Drucks. Darüber hinaus erweist sich der Kraftstoff als chemisch aggressiv. Er stellt ein gängiges Lösungsmittel für eine Vielzahl von Stoffen dar, und bewirkt somit ein Zerstören empfindlicher Sensorbestandteile oder einzelner Komponenten des Drucksensors. Dies führt zu einem schwierigem Umfeld des Drucksensors, und somit zu erhöhten Anforderungen an die Beständigkeit, die der erfindungsgemäße Drucksensor und das Einspritzsystem, das mit einem entsprechenden Drucksensor versehen ist, gewährleistet.The invention also relates an injection system with a pressure sensor according to the invention, which in a Recess of a wall of the injection system integrated or provided is. The injection system, which realizes high injection pressures, requires for safe control of injection behavior, d. H. for example, the Injection pressure, injection timing, injection quantity, etc. a very safe reliable information about the pressure conditions in the injection system. This information is by the in the Injection system integrated pressure sensor provided. The requirements or requirements of the injection system with the high temperatures in the area of the internal combustion engine, the high pressures for example about 1000 bar injection pressure or even from 1500 bar injection pressure condition a strong mechanical load on the entire injection system in particular of the pressure sensor (s) integrated therein for determination of the pressure. Above In addition, the fuel proves to be chemically aggressive. Created a common one solvent for one Variety of substances, and thus destroys sensitive Sensor components or individual components of the pressure sensor. this leads to to a difficult environment of the pressure sensor, and thus to increased requirements to the resistance, the pressure sensor according to the invention and the injection system, with a corresponding pressure sensor is provided guaranteed.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Einspritzsystems sind zwischen der Hochdruckpumpe und der Einspritzdüse bzw. der Düse der Einspritzdüse mehrere erfindungsgemäße Drucksensoren angeordnet. Hierdurch gelingt es, nicht nur den jeweiligen Einspritzdruck eindeutig und sicher zu sensieren, sondern es gelingt auch, den Druckabfall über den Druckvergleich insbesondere eine Differenzdruckbildung zu gewinnen. Durch diese Information des Druckverlaufes gelingt es, das Einspritzsystem zu optimieren. Auch ist es möglich, Bereiche besonderer Belastung beispielsweise durch starke Druckabfälle durch eine entsprechende Änderung der Konstruktion des Einspritzsystems dahingehend anzupassen, daß diese Belastung reduziert ist. Darüber hinaus gelingt es, auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs und der Druckverhältnisse im Kraftstoff zu erfassen und für die Auslegung eines Einspritzsystems zu verwenden. Hierdurch gelingt es, das Einspritzsystem dauerhaft zu optimieren.According to a preferred embodiment of the Injection system are between the high-pressure pump and the injection nozzle or the nozzle the injector several pressure sensors according to the invention arranged. This makes it possible, not only the respective injection pressure clearly and confidently, but it also succeeds, the Pressure drop over to gain the pressure comparison in particular a differential pressure formation. Through this information of the pressure curve, it succeeds, the injection system to optimize. It is also possible Areas of special stress, for example due to severe pressure drops due to a corresponding change of Adapt the design of the injection system such that it Load is reduced. About that In addition, it also succeeds in the propagation speed of the fuel and the pressure conditions to capture in the fuel and for to use the design of an injection system. This succeeds to optimize the injection system permanently.

Nach einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist die äußere Gestalt des Drucksensors mit der Ausnehmung abgestimmt. Die Abstimmung erfolgt dahingehend, daß der Drucksensor in die Ausnehmung formschlüssig dichtend eingebracht werden kann. Hierdurch ist sichergestellt, daß bei der Druckbeaufschlagung durch das einzuspritzende Kraftstoffgemisch eine Einpressung in einen insbesondere dichtenden Sitz, der durch die Wandung um die Ausnehmung für den Drucksensor gebildet wird, bewirkt wird. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß der Drucksensor keilförmig verjüngend ausgebildet ist bzw. eine stufenförmig verjüngende Gestalt dahingehend aufweist, daß Dichtflächen geschaffen werden, die eine Abdichtung zwischen der äußeren Gestalt des Drucksensors und der Wandung im Bereich der Ausnehmung bewirkt wird.According to a preferred embodiment of the Invention is the outer shape the pressure sensor matched with the recess. The vote takes place in that the Pressure sensor are inserted into the recess form-fitting sealing can. This ensures that when pressurizing by the fuel mixture to be injected in a particular sealing seat, which passes through the wall around the Recess for the pressure sensor is formed, is effected. This will be particular achieved in that the Pressure sensor wedge-shaped formed rejuvenating is or a stepped rejuvenating figure to the effect that sealing surfaces created be a seal between the outer shape of the pressure sensor and the wall is effected in the region of the recess.

Es hat sich besonders bewährt neben der Anpassung der äußeren Gestalt im Bereich zwischen der Wandung und dem Drucksensor ein Dichtmittel zu verwenden. Als Dichtmittel hat sich die Verwendung eines Klebers insbesondere eines Epoxidharzklebers bewährt. Dieser sorgt einerseits für eine dichtende Verbindung aber auch für eine dauerhafte mechanische Verbindung des Drucksensors mit der Wandung.It has proven particularly useful besides the adaptation of the outer shape in the area between the wall and the pressure sensor to a sealant too use. The sealant is the use of an adhesive especially proven an epoxy resin adhesive. This provides on the one hand for one sealing compound but also for a permanent mechanical connection of the pressure sensor with the wall.

Neben der Anordnung der PZT-Materialien auf der Innenseite der Wandung des Einspritzsystems, welche direkt mit dem Kraftstoff bzw. Kraftstoffgemisch in Kontakt steht, hat es sich bewährt, die PZT-Anordnung auf der Außenseite anzuordnen. Hierdurch gelingt es die Einflüsse des Kraftstoffs bzw. des Kraftstoffgemisches auf die PZT-Anordnung zu reduzieren und dadurch eine noch haltbare Anordnung zu schaffen. Dies ist in aggressiven Umgebungen bedeutsamer als der Nachteil, daß der Druck mittels der PZT-Anordnung nicht direkt gemessen werden kann, sondern nur indirekt durch eine Verbiegung der Keramikschichten, was dazu führt, daß die Auflösung der Drucksensorik geringer ausfällt und somit die Verläßlichkeit der gemessenen Druckwerte geringer ist. Beim Einsatz des Drucksensors in sehr aggressiven Kraftstoffen beispielsweise wie Kerosin oder Flugbenzin oder ähnliches, hat sich diese Anordnung als besonders vorteilhaft erwiesen.In addition to the arrangement of PZT materials on the inside of the wall of the injection system, which directly with The fuel or fuel mixture is in contact, it has proven, the PZT arrangement on the outside to arrange. This makes it possible to influence the fuel or the Fuel mixture to reduce the PZT arrangement and thereby to create a more durable arrangement. This is in aggressive Environments more significant than the disadvantage that the pressure by means of the PZT arrangement can not be measured directly, but only indirectly through a Bending of the ceramic layers, resulting in that the resolution of the pressure sensor is lower fails and thus the reliability the measured pressure values are lower. When using the pressure sensor in very aggressive fuels such as kerosene or Aviation fuel or similar, This arrangement has proved to be particularly advantageous.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Darstellung eines Einspritzsystems mit erfindungsgemäßen beispielhaften Sensor erläutert. Die Erfindung ist nicht auf diese in 1 dargestellte Ausführung der Erfindung begrenzt.In the following the invention will be explained with reference to an exemplary representation of an injection system with exemplary sensor according to the invention. The invention is not limited to this 1 illustrated embodiment of the invention limited.

In 1 ist ein Ausschnitt einer Wandung 10 eines Einspritzsystems, hier als Wandung einer Common-Rail dargestellt. Die Wandung 10 zeigt eine Ausnehmung, in die der erfindungsgemäße Drucksensor 1 eingebracht ist. Die äußere Gestalt des Drucksensors 1 ist der Form der Ausnehmung angepaßt. Sie zeigt einen keilförmigen, sich verjüngende äußere Gestalt. Die äußere Gestalt des Drucksensors 1 ermöglicht im Zusammenwirken mit der die Ausnehmung umgebenden Wandung 10 eine formschlüssige, dichtende Verbindung zwischen den beiden Komponenten des Einspritzsystems.In 1 is a section of a wall 10 an injection system, shown here as the wall of a common rail. The wall 10 shows a recess into which the pressure sensor according to the invention 1 is introduced. The outer shape of the pressure sensor 1 is adapted to the shape of the recess. It shows a wedge-shaped, rejuvenating outer shape. The outer shape of the pressure sensor 1 allows in cooperation with the wall surrounding the recess 10 a positive, sealing connection between the two components of the injection system.

Zur besseren Abdichtung wird der Sensor 1 in die Wandung 10 mittels eines hier nicht dargestellten Epoxidharzklebers eingeklebt. Dieser Epoxidharzkleber stellt eine sichere und dichte Verbindung zwischen der Wandung 10, welche aus einem hochlegierten Stahl besteht, und den Keramikschichten 2 des Drucksensors 1 sicher. Dabei hat sich die stufige Ausbildung der äußeren keilförmigen Gestalt des Drucksensors 1 bzw. der Ausnehmung besonders bewährt.For better sealing, the sensor 1 in the wall 10 glued by means of an epoxy resin adhesive, not shown here. This epoxy adhesive provides a secure and tight connection between the wall 10 , which consists of a high-alloy steel, and the ceramic layers 2 of the pressure sensor 1 for sure. In this case, the stepped training of the outer wedge-shaped shape of the pressure sensor 1 or the recess particularly proven.

Der Drucksensor 1 zeigt fünf Keramikschichten 2, die nach der LTCC-Technologie hergestellt und verbunden wurden. Die Dicke der fünf Schichten bzw. des Drucksensors beträgt etwa 850 μm. Die Keramikschichten 2 sind miteinander flächig fest verbunden. Diese Verbindung wird durch einen Sinterprozeß bei niedrigen Temperaturen realisiert. Auf der dem Kraftstoff zugewandten Seite des Drucksensors 1 ist eine Bodenelektrode 4b als metallischer, elektrischer Kontakt aufgebracht. Auf diesen ist die PZT-Folie 3 großflächig aufgebracht und fest mit dieser, einen elektrischen Kontakt bildend verbunden. Auf die PZT-Folie 3 ist eine flächig aufgebrachte Deckelektrode 4a befestigt. Die beiden Elektroden 4a, 4b nehmen das piezoelektrische Signal der PZT-Folie auf und leiten es über die Ableitungen 5 durch die Keramikschichten 2 an die gegenüberliegende Seite des Drucksensors 1 weiter. Auf der anderen Seite sind Bondpads 6 angeordnet, die mit flexiblen elektrischen Leitungen 7 zum Abgreifen der PZT-sensierten Drucksignale verbunden werden. Diese Signale werden einer Auswerteeinheit zugeführt. Diese Auswerteeinheit setzt die piezoelektrischen Signale in Druckinformationen um.The pressure sensor 1 shows five ceramic layers 2 manufactured and bonded using LTCC technology. The thickness of the five layers or the pressure sensor is about 850 microns. The ceramic layers 2 are firmly connected to each other. This compound is realized by a sintering process at low temperatures. On the fuel-facing side of the pressure sensor 1 is a bottom electrode 4b applied as a metallic, electrical contact. On these is the PZT film 3 applied over a large area and firmly connected to this, forming an electrical contact. On the PZT film 3 is a surface-mounted cover electrode 4a attached. The two electrodes 4a . 4b pick up the piezoelectric signal of the PZT film and conduct it over the leads 5 through the ceramic layers 2 to the opposite side of the pressure sensor 1 further. On the other side are bond pads 6 Arranged with flexible electrical wires 7 be connected to pick up the PZT-sensed pressure signals. These signals are fed to an evaluation unit. This evaluation unit converts the piezoelectric signals into printing information.

Durch die Deckelektrode 4a ist ein mechanischer und chemischer Schutz der PZT-Anordnung PZT-Folie 3 und der darunter liegenden Bodenelektrode 4b gewährleistet. Dadurch ist eine besonders langlebige PZT-Anordnung geschaffen. Dies um so mehr, wenn die Deckelektrode 4a aus einem sehr widerstandsfähigen Metall, wie beispielsweise Titan realisiert ist. Demgegenüber kann die Bodenelektrode 4b aus einem chemisch und mechanisch weniger widerstandsfähigen Material gebildet sein.Through the cover electrode 4a is a mechanical and chemical protection of the PZT assembly PZT film 3 and the underlying bottom electrode 4b guaranteed. As a result, a particularly durable PZT arrangement is created. This more so when the top electrode 4a made of a very resistant metal such as titanium. In contrast, the bottom electrode 4b be formed of a chemically and mechanically less resistant material.

Die Ableitungen 5 sind mäanderförmig durch die Keramikschichten 2 des Drucksensors 1 geführt. Die Durchführung durch die einzelnen Keramikschichten 2 erfolgt durch Via-Holes, welche mit einer Metallisierung versehen sind. In der Zwischen schicht zwischen zwei Keramikschichten 2 ist mittels flächiger elektrischer Leitungen eine elektrische Verbindung geschaffen, die durch Siebdruck oder andere Aufbringtechniken von metallischen Leitungsleiterbahnen realisiert werden kann. Durch das mäanderförmige Durchführen der Ableitungen 5 durch die fünf Keramikschichten 2 ist eine druckdichte Ableitung der piezoelektrischen Signale gewährleistet. Ein Durchdringen des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs – beispielsweise im Bereich von 1500 bar – durch die mäanderförmig gebildete elektrische Verbindung ist weitgehend ausgeschlossen.The derivatives 5 are meandering through the ceramic layers 2 of the pressure sensor 1 guided. The passage through the individual ceramic layers 2 takes place via via holes, which are provided with a metallization. In the intermediate layer between two ceramic layers 2 is created by means of flat electrical lines, an electrical connection that can be realized by screen printing or other application techniques of metallic conductor tracks. Through the meandering passage of the derivatives 5 through the five ceramic layers 2 a pressure-tight dissipation of the piezoelectric signals is ensured. A penetration of the high-pressure fuel - for example in the range of 1500 bar - by the meandering electrical connection formed is largely excluded.

Der durch den Kraftstoff auf die Wandung 10 bzw. den Drucksensor 1 ausgeübten Druck ist durch einen Pfeil mit der Bezeichnung P angedeutet. Es wird deutlich, daß der keilförmig ausgebildete Drucksensor 1 durch den Druck, der zu messen ist, in den durch die Wandung 10 gebildeten Sitz eingepreßt wird und durch das Einpressen in Verbindung mit der äußeren Gestaltung des Sensors 1 und der Wandung 10 eine formschlüssige dichtende Verbindung geschaffen wird.The fuel through the wall 10 or the pressure sensor 1 applied pressure is indicated by an arrow with the label P. It is clear that the wedge-shaped pressure sensor 1 through the pressure to be measured, through the wall 10 formed seat is pressed and by the pressing in conjunction with the outer design of the sensor 1 and the wall 10 a positive sealing connection is created.

Der Drucksensor 1 zeigt einen typischen Durchmesser von wenigen Millimetern. Dadurch ist es möglich, den Drucksensor 1 in einer Wandung 10 einer Einspritzpumpe, einer Zuleitung, der Common-Rail oder auch in der Einspritzpumpe selbst anzuordnen. Durch die Anordnung der PZT-Anordnung 3 mit den zugeordneten Elektroden 4a, 4b auf der Kraftstoffseite ist es möglich, den Kraftstoffdruck bzw. die Druckveränderung unmittelbar zu messen, ohne daß es auf ein Verbiegen der Keramikschichten 2 ankommt. Dieses direkte Messen gewährleistet ein sehr differenziertes und sicheres piezoelektrisches Signal. Das gemessene und ausgewertete piezoelektrische Signal ermöglicht ein sehr differenziertes Bild des Drucks wie auch der zeitlichen Entwicklung des Druckes. Die beschriebene Sensoranordnung gewährleistet eine dauerhafte und aussagekräftige Sensierung der Druckverhältnisse in dem Einspritzsystem.The pressure sensor 1 shows a typical diameter of a few millimeters. This makes it possible for the pressure sensor 1 in a wall 10 an injection pump, a supply line to arrange the common rail or in the injection pump itself. By the arrangement of the PZT arrangement 3 with the associated electrodes 4a . 4b On the fuel side, it is possible to directly measure the fuel pressure or the pressure change without it being a question of bending the ceramic layers 2 arrives. This direct measurement ensures a very differentiated and safe piezoelectric signal. The measured and evaluated piezoelectric signal allows a very differentiated picture of the pressure as well as the temporal evolution of the pressure. The described sensor arrangement ensures a lasting and meaningful sensing of the pressure conditions in the injection system.

Der dargestellte Drucksensor 1 kann als eigenständiges Modul separat hergestellt werden und auf einfache Weise in entsprechende Ausnehmungen eingesetzt werden. Ein einfaches und kostengünstiges Austauschen oder Ersetzen derartiger Drucksensoren wird dadurch kostengünstig ermöglicht.The illustrated pressure sensor 1 can be manufactured separately as a separate module and can be easily inserted into corresponding recesses. A simple and inexpensive replacement or replacement of such pressure sensors is made possible cost.

Claims

In an injection system integrable pressure sensor having a plurality of ceramic layers and derivatives for the sensor signal, characterized in that on the ceramic layers ( 2 ) a flat PZT arrangement ( 3 ) and with the derivatives ( 5 ) is electrically connected.

In an injection system integratable pressure sensor according to claim 1, characterized in that the flat-formed PZT arrangement ( 3 ) sandwiched from a cover ( 4a ) and a bottom electrode ( 4b ) and about these with the derivatives ( 5 ) is electrically connected.

In an injection system integrable pressure sensor according to claim 1, characterized in that between the flat PZT arrangement and the ceramic layers, two spaced-apart bottom electrodes are arranged and over this is electrically connected to the leads.

In an injection system integrable pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the area formed PZT arrangement ( 3 ) with the ceramic layers ( 2 ) is connected surface in particular by gluing or by sintering.

In an injection system integrable pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the flat formed PZT arrangement ( 3 ) is formed as a film, as a film or as a thick PZT layer.

In an injection system integrable pressure sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic layers ( 2 ) represent an LTC ceramic.

In an injection system integrable pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the derivatives ( 5 ) meandering through the ceramic layers ( 2 ) are guided.

Injection system with a wall, with one arranged therein Recess for receiving a pressure sensor and with a pressure sensor disposed therein according to any one of the preceding claims.

Injection system according to claim 8, characterized in that a plurality of pressure sensors ( 1 ) are arranged distributed according to one of the preceding claims 1-7 between the high-pressure pump and the injection nozzle.

Injection system according to claim 8 or 9, characterized in that the recess for receiving the associated pressure sensor ( 1 ) are true abge in their outer shape that the recess enclosing wall ( 10 ) with the pressure sensor ( 1 ) cooperates positively sealing.

Injection system according to claim 10, characterized in that the recess and the pressure sensor ( 1 ) have a tapered outer shape to the effect that the wall enclosing the recess ( 10 ) as a positive sealing seat for the pressure sensor ( 1 ) acts.

Injection system according to one of claims 8 to 11, characterized in that the pressure sensor ( 1 ) and the wall enclosing the recess ( 10 ) are glued together.