Robuster Zylinderdrucksensor – Konzeptionierung und Vergleich zweier Sensorvarianten

Inhalt:
Die hier vorgestellten Sensorkonzepte sollen einen alternativen Ansatz zu den bereits vorhanden Zylinderdrucksensoren darstellen. Im Vordergrund der beiden Sensorvarianten stehen ein vereinfachter Aufbau und eine robuste Konstruktion, damit eine möglichst hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer beim Einsatz unter rauen Bedingungen (hohe Temperaturen im Verbrennungsraum, Vibration im Motor) gewährleistet werden kann. Dabei nutzt ein Konzept (Konzept A) ein Membransensorelement, das aus dem keramischen Material ZrO2 mit 3mol% Y2O3 besteht und für seine guten mechanischen Eigenschaften bekannt ist. Die Membran wird mit einer neuartigen, chromhaltigen, piezoresistiven Dünnschicht beschichtet. Die Dünnschicht weist Dehnungsempfindlichkeiten (k-Faktor) zwischen 10 und 15 auf. Der hohe k-Faktor ermöglicht eine steifere Auslegung der Membran, wodurch sich in Kombination mit der guten elektrischen Isolation des Keramikmaterials sowohl ein robustes als auch konstruktiv vereinfachtes Sensorelement herstellen lässt. Mittels Laserablation wird eine Wheatstone-Brücke in die Dünnschicht geschrieben und anschließend elektrisch kontaktiert. Das zweite Konzept (Konzept B) besteht dagegen nicht aus einem Membransensorelement, sondern aus einem steifen Stab, der an definierten Stellen spezielle Konturen besitzt, auf die neuartige, dehnungsempfindliche Dünnfilm-Folien-Dehnungsmessstreifen (DMS) appliziert werden. Die piezoresistive Dünnschicht besteht im Fall der Folien-DMS aus einem granularen Metall (NiCr), welches in eine graphitartige amorphe Kohlenwasserstoffmatrix eingebettet ist. Der k-Faktor solcher Schichten liegt ebenfalls zwischen 10 und 15. Dadurch gelingt es kleine Dehnungen bei Druckbelastung des Stabes zu detektieren. Die Messergebnisse beider Konzepte werden mit denen eines bereits in der Indiziermesstechnik eingesetzten Referenzsensors verglichen.