DE3013770C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß bei Brennkraftmaschinen unter bestimmten Ar­ beitsbedingungen ein sogenanntes Klopfen auftritt. Hierunter versteht man tonfrequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben und Zylinderwänden der Brennkraftmaschine stark überhöht. Dies bedingt eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen, so daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da man jedoch andererseits bestrebt ist, den bestehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunützen, besteht Interesse an einem Sensor, der das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigt.

Bekannte Sensoren zu diesem Zweck sind piezoelektrische Druckindikatoren, die in eine besondere Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden und mit dem Innenraum des Zylinders der Brennkraftmaschine in Verbindung stehen. Eine der­ artige Befestigungsart ist jedoch außerordentlich aufwendig und teuer.

Aus dem Buch von Hans R. Camenzind, "Circuit Design for Integrated Electronics", Addision-Wesley Publishing Company, 1968, ist ein Resonanzelement bekannt, das aus einer resonanzfähigen Zunge besteht, die über einem Kanal einer FET-Struktur angeordnet ist.

Aus der DE-OS 28 01 969 ist des weiteren bereits ein Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem das Resonanz­ element als piezoelektrisches Element ausgebildet ist. Das elektrische Ausgangssignal wird hierbei an zwei metallischen Belägen abgenommen, die an den beiden freien Flächen der resonanzfähigen Zunge des piezoelektrischen Elements angebracht sind. Dieser be­ kannte Sensor hat jedoch den Nachteil, daß er als diskretes Bau­ element ausgebildet ist und nicht Bestandteil einer monolitisch integrierten Schaltung sein kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das elektrische Ausgangssignal des piezoelektrischen Elements nicht mit einer weiteren Frequenz modulierbar ist, so daß eine Auswertung des Ausgangssignals im Trägerfrequenzverfahren bei dem bekannten Sensor nicht möglich ist.

Aus der US-PS 34 13 573 ist des weiteren bereits ein als Feldeffektransistor-Resonator ausgebildetes Resonanzelement bekannt, bei dem ein resonanzfähiges, als Stab ausgebildetes Glied über einem Kanal einer FET-Struktur angeodnet ist. Das elektrische Ausgangssignal der FET-Struktur ist hierbei über eine zusätzliche Elektrode modulierbar, die sich außerhalb der FET-Struktur befindet und auf das resonanzfähige Glied einwirkt.

In der DE-Patentanmeldung P 28 29 246 wurde des weiteren eine Ein­ richtung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen vorgeschlagen, bei der ein piezoelektrischer Biegeschwinger als Resonanzelement dient. Auch dieser Sensor hat den Nachteil, daß er als diskretes Bauelement aus­ gebildet ist und nicht Bestandteil einer monolitisch integrierten Schaltung sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß er Be­ standteil einer monolitisch integrierten Schaltung sein kann, und gleichzeitig Mittel vorzusehen, durch die das elektrische Ausgangs­ signal des Resonanzelements mit einer Frequenz modulierbar ist, die wesentlich höher als die Klopffrequenz liegt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Unteranspruch 2.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors wird anhand von Figuren in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Resonanzelementes;

Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten Anordnung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Resonanzelement ist auf einem Substrat 10 vermittels eines Fußteiles 11 eine resonanzfähige Zunge 12 befestigt, die über einem Kanal 13, der ein Gate einer FET-Struktur bildet, angeordnet ist.

Die FET-Struktur 14 weist weiterhin eine Source-Elektrode 15 und eine Drain-Elektrode 16 auf. Unter dem freien Ende der Zunge 12 ist eine Elektrodenplatte 17 angeordnet, die mit einer Spannungsquelle 18 verbunden ist. Die Drain-Elektrode 16 ist weiterhin an eine Gleichspannungsquelle 19 und über einen Koppelkondensator 20 an eine Klemme 21 angeschlossen.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung bildet ein resonantes System, wobei die Resonanzfrequenz der Zunge 12 in bekannter Weise von ihrer Länge, Breite, von der Dichte des verwendeten Materiales und vom Elastizitätsmodul des Materiales abhängt. Wird die Anordnung ent­ sprechend Fig. 1 nun mit einem schwingungsfähigen Teil der Brenn­ kraftmaschine verbunden und ist die Resonanzfrequenz der Zunge 12 so eingestellt, daß sie der Klopffrequenz der jeweiligen Brennkraft­ maschine entspricht, entsteht beim Klopfen der Brennkraftmaschine eine resonante Schwingung der Zunge 12. Diese Resonanzerscheinung wirkt sich über den Kanal 13 auf die FET-Struktur aus, die im Takt der Schwingungsbewegung der Zunge 12 moduliert wird. Das Resonanz­ signal ließe sich nun bereits über den Koppelkondensator 20 und die Klemme 21 abgreifen und weiterverarbeiten.

Nach Fig. 2 ist jedoch vorgesehen, daß die FET-Struktur 14 eine weitere Gate-Elektrode 22 aufweist, die von einem Hochfrequenz­ generator 23 gespeist wird. Durch Einspeisung des Hochfrequenz­ signales aus dem Hochfrequenzgenerator 23 ist eine Messung der Resonanz im Trägerfrequenzverfahren möglich, wenn die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 23 wesentlich höher liegt als die Resonanz­ frequenz der Zunge 12. Auf diese Weise ist es möglich, bereits am Meßort den Meßwert in einen Frequenzbereich umzusetzen, der frei von den im Kraftfahrzeug üblichen Störsignalen ist.

Will man die Resonanz der Zunge 12 in definierter Weise bedämpfen, kann man sich hierzu der Elektrodenplatte 17 bedienen. Über die Spannungsquelle 18 wird hierzu eine Polarisationsspannung zwischen die Zunge 12 und die Elektrodenplatte 17 gelegt, so daß sich zwischen dem freien Ende der Zunge 12 und der Elektrodenplatte 17 ein elektrisches Feld ausbildet. Die durch Anlegung einer konstanten Polarisationsspannung auftretende Kraft zwischen dem freien Ende der Zunge 12 und der Elektrodenplatte 17 bewirkt dabei die gewünschte Dämpfung der Zunge 12.

Claims (2)

1. Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit einem ein elektrisches Ausgangssignal abgebenden Resonanzelement, das eine resonanzfähige Zunge (12) ent­ hält, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzelement als Feld­ effekttransistor-Resonator ausgebildet ist, bei dem die resonanz­ fähige Zunge (12) über einem Kanal (13) einer FET-Struktur (14) an­ geordnet ist, das elektrische Ausgangssignal an der Source-Drain- Strecke der FET-Struktur (14) abgenommen ist und die FET-Struktur (14) ein zusätzliches Gate (22) aufweist, über das das elektrische Ausgangssignal der FET-Struktur (14) mit einer Frequenz modulierbar ist, die wesentlich höher als die Klopffrequenz liegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das freie En­ de der Zunge (12) in dichtem Abstand von einer Elektrodenplatte (17) angeordnet ist und daß zur Dämpfung der Schwingungen des Resonanz­ elementes eine Polarisationsspannung zwischen Zunge (12) und Elek­ trodenplatte (17) geschaltet ist.