DE4221426C1

DE4221426C1 - Force sensor mfr. using screen printing of superimposed measuring resistance layers - forming layers such that upper layer compensates for thickness variation at edges of lower layer, where they overlap conductive tracks

Info

Publication number: DE4221426C1
Application number: DE19924221426
Authority: DE
Inventors: Herbert 7141 Freiberg De Zimmermann; Manfred Dipl.-Ing. 7410 Reutlingen De Moser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-06-30
Filing date: 1992-06-30
Publication date: 1993-09-02
Anticipated expiration: 2012-07-01

Abstract

The force sensor is mfd. using a stamp (5) acting on a screen printed measuring resistance (6), with evaluation of the resulting resistance variation for determining the applied force. The measuring resistance (6) has two superimposed layers (1,2) only the lower layer (1) overlapping the conductor tracks (3) used to detect the resistance variation. The upper screen printed layer (2) has a thickness which compensates the increased thickness of the lower layer (1) at its edges which overlap the conductor paths (3), for uniform application of the force exerted on the stamp (5) to the measuring resistance (6). ADVANTAGE - Low mfg. cost and improved mfg. tolerances.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE 39 12 280 A1 ist bereits ein Kraftsensor bekannt, bei dem ein Stempel auf einen durch Siebdruck hergestellten Widerstand drückt und die sich daraus ergebende Widerstandsänderung durch zwei Leiter bahnen gemessen wird. Um bei diesem Sensor eine homogene Kraftein leitung über den Stempel zu erreichen, wird der Widerstand in eine Vergußmasse eingebettet und anschließend wird der so entstandene Verbund von Widerstand und Vergußmasse durch Schleifen planarisiert. Dieser Herstellungsprozeß ist aufwendig und somit kostenintensiv.The invention is based on a method for producing a Force sensor according to the genus of the main claim. From the DE 39 12 280 A1 a force sensor is already known in which a Presses stamp on a resistance made by screen printing and the resulting change in resistance by two conductors orbits is measured. To achieve a homogeneous force with this sensor To reach the line via the stamp, the resistance is converted into a Potting compound embedded and then the resulting Combination of resistance and potting compound planarized by grinding. This manufacturing process is complex and therefore expensive.

Aus der DE 36 42 780 A1 ist bereits ein Kraftsensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Dazu wird auf der Oberseite eines plattenförmigen Trägers zunächst eine Leitschicht und auf der Leitschicht eine druckabhängige Widerstandsschicht aufgebracht. Da die Krafteinleitung beim fertiggestellten Sensor über die Rückseite des plattenförmigen Trägers erfolgt, weist dieser Sensor eine besonders ebene Oberfläche auf.From DE 36 42 780 A1 there is already a force sensor and a Process for its preparation is known. This is done on the top a plate-shaped carrier first a conductive layer and on the Conductive layer applied a pressure-dependent resistance layer. There the force transmission on the finished sensor via the back of the plate-shaped carrier, this sensor has one particularly flat surface.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren bzw. einen Sensor anzugeben, der eine plane Oberfläche aufweist und besonders einfach und kostengünstig gefertigt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 gelöst. The invention is based on the object Specify manufacturing process or a sensor that a plane Has surface and particularly simple and inexpensive can be manufactured. This task is characterized by the Features of claim 1 and claim 6 solved.

Durch die Planarisierung wird eine homogene Krafteinleitung bewirkt und die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Leiterbahnen und dem Stempel verringert. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß bei einem Auf kleben des Stempels auf der Oberseite des Widerstandes die Dicke des dabei verwendeten Klebers optimiert werden kann. Weiterhin wird die Kraftbelastung auf die Leiterbahnen und damit ein Kraftnebenschluß minimiert. Infolge dieser Vorteile werden, bei gleichzeitig geringen Kosten, die Herstellungstoleranzen der Kraftsensoren verbessert.The planarization results in a homogeneous introduction of force and the risk of short circuits between the conductor tracks and the Stamp reduced. Furthermore, it is advantageous that in an up stick the stamp on top of the resistor the thickness of the used glue can be optimized. Furthermore, the Force load on the conductor tracks and thus a force shunt minimized. As a result of these advantages, at the same time small Cost that improves manufacturing tolerances of the force sensors.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Wenn zunächst die Überlappungs schicht 1 gedruckt wird, so wird ein besonders sicherer Kontakt zu den Leiterbahnen sichergestellt. Da die erste Schicht für den Wider stand mit besserer Justiergenauigkeit gedruckt werden kann als die zweite Schicht ist es vorteilhaft, die weitere Schicht 2 im ersten Schritt zu drucken, da bei dieser Schicht die Justiergenauigkeit beim Druck wesentlich stärker in die Eigenschaften des fertigen Widerstandes eingeht. Wenn die Schichten zwischen den einzelnen Druckschritten nur getrocknet werden, so werden Prozeßschritte ein gespart. Durch das Brennen der einzelnen Schichten zwischen den Druckschritten wird eine größere Stabilität des gesamten Wider stands, durch das verringerte Auftreten von Blasen, erreicht.The measures listed in the subclaims make possible further developments and improvements to the method specified in the main claim. If the overlap layer 1 is printed first, a particularly secure contact with the conductor tracks is ensured. Since the first layer for the resistance could be printed with better adjustment accuracy than the second layer, it is advantageous to print the further layer 2 in the first step, since with this layer the adjustment accuracy during printing goes much more into the properties of the finished resistor. If the layers between the individual printing steps are only dried, process steps are saved. By firing the individual layers between the printing steps, greater stability of the entire resistance is achieved, due to the reduced occurrence of bubbles.

drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawings represents and explained in more detail in the following description. It demonstrate

Fig. 1 das Aufbringen der Überlappungsschicht, Fig. 2 das Aufbringen der weiteren Schicht, Fig. 3 einen fertigen Kraftsensor, auf den ein Stempel drückt und Fig. 4 und Fig. 5 weitere Bei spiele für einen Kraftsensor. Fig. 1 the application of the overlap layer, Fig. 2 the application of the further layer, Fig. 3 shows a finished force sensor on which a stamp presses and Fig. 4 and Fig. 5 further examples for a force sensor.

Description of the embodiments

In der Fig. 1 ist mit 4 ein Träger bezeichnet, auf den durch Sieb druck Leiterbahnen 3 und eine Überlappungsschicht 1 aufgebracht ist. Wie in der Fig. 2 gezeigt, wird auf diesen Aufbau eine weitere Schicht 2 gedruckt. Die Schicht 2 ist dabei so ausgelegt, daß eine plane gemeinsame Oberfläche der weiteren Schicht 2 und der Über lappungsschicht 1 entstehen. In der Fig. 3 ist der so entstandene Kraftsensor in seiner Anwendung gezeigt, bei der ein Stempel 5 mit einer durch den Pfeil angedeuteten Kraft auf den Kraftsensor drückt.In Fig. 1, 4 denotes a carrier on which printed conductor tracks 3 and an overlap layer 1 are applied by screen printing. As shown in Fig. 2, another layer 2 is printed on this structure. The layer 2 is designed so that a flat common surface of the further layer 2 and the overlap layer 1 arise. In Fig. 3 the resulting force sensor is shown in its application in which a stamp 5 presses with a direction indicated by the arrow force to the force sensor.

Durch die Leiterbahnen 3, die beispielsweise mit einer externen Meß vorrichtung verbunden sind, kann der Widerstandswert des durch die Überlappungsschicht 1 und die weitere Schicht 2 gebildeten Meßwider stands 6 gemessen werden. Der Meßwiderstand 6 besteht aus Materialien, die ihren Widerstand in Abhängigkeit vom einwirkenden Druck ändern. Dabei handelt es sich um gewöhnliche Siebdruck widerstandspasten, die zum Teil zufällig diese Eigenschaft auf weisen. Der Stempel 5 drückt auf die Oberseite des durch die Schichten 1 und 2 gebildete Meßwiderstands 6. Der Stempel 5 kann mit dem Meßwiderstand 6 verklebt sein. Wenn die Oberfläche des Meßwider standes 6 uneben ist, so kommt es in diesem Bereich zu besonders großen Kräften, während andere Bereiche des Widerstandes fast gar nicht mit einer Kraft beaufschlagt werden. Es kommt somit nur an einzelnen Stellen des Meßwiderstands 6 zu einer nennenswerten Wider standsänderung, die in Abhängigkeit davon, an welchem Ort des Meß widerstands 6 diese erfolgt, evtl. einen sehr starken oder einen weniger starken Meßeffekt bewirkt. Weiterhin kann es durch Uneben heiten zu einem Kraftnebenschluß, d. h. zu einer teilweisen Kraft weiterleitung in den Träger 4 kommen, die nicht über den Meß widerstand 6 erfolgt und somit auch nicht meßbar ist. Durch geringe Schwankungen der Herstellungstoleranzen kann es somit zu besonders starken Schwankungen der Meßempfindlichkeit des so herge stellten Sensors infolge des auftretenden Kraftnebenschlusses über die Leiterbahnen bzw. durch die oben erwähnte ungleichmäßige Be lastung des Meßwiderstandes 6 kommen. Durch die Planarisierung der Oberfläche des Meßwiderstands 6 wird somit die Streuung der Empfind lichkeit des Kraftsensors deutlich verringert. Weiterhin wird durch eine gleichmäßige Krafteinbringung in den Meßwiderstand 6 der ge samte Meßwiderstand 6 zur Messung verwendet. Wenn der Stempel 5 auf einen Widerstand drücken würde wie er in Fig. 1 gezeigt wird, so wäre die mechanische Belastung gerade über den Leiterbahnen 3 be sonders groß. Dabei besteht die Gefahr, daß durch die übergroße Krafteinbringung der zwischen dem Stempel 5 und der Leiterbahn 3 gelegene Teil der Überlappungsschicht 1 bzw. des dadurch gebildeten Widerstandes zerstört würde.Through the conductor tracks 3 , which are connected to an external measuring device, for example, the resistance value of the measuring resistor 6 formed by the overlap layer 1 and the further layer 2 can be measured. The measuring resistor 6 consists of materials that change their resistance depending on the pressure. These are ordinary screen printing resistance pastes, some of which happen to have this property. The stamp 5 presses on the upper side of the measuring resistor 6 formed by the layers 1 and 2 . The stamp 5 can be glued to the measuring resistor 6 . If the surface of the measuring resistor 6 is uneven, there are particularly large forces in this area, while other areas of the resistor are almost not subjected to a force. There is thus only at individual points of the measuring resistor 6 to a significant change in resistance, which, depending on where the measuring resistor 6 takes place, may cause a very strong or a less strong measuring effect. Furthermore, unevenness can lead to a force bypass, that is to say a partial transmission of force into the carrier 4 , which does not take place via the measuring resistor 6 and is therefore also not measurable. Small fluctuations in the manufacturing tolerances can therefore lead to particularly large fluctuations in the measuring sensitivity of the sensor produced in this way as a result of the force shunt occurring via the conductor tracks or due to the above-mentioned uneven loading of the measuring resistor 6 . By the planarization of the surface of the measuring resistor 6 , the scatter of the sensitivity of the force sensor is thus significantly reduced. Furthermore, the entire measuring resistor 6 is used for measurement by a uniform introduction of force into the measuring resistor 6 . If the stamp 5 would press on a resistor as shown in Fig. 1, the mechanical load would be particularly large just above the conductor tracks 3 be. There is a risk that the excessive force application would destroy the part of the overlap layer 1 or the resistance formed thereby between the stamp 5 and the conductor track 3 .

Um eine gute Verbindung zwischen Stempel 5 und Meßwiderstand 6 zu erreichen, ist es vorteilhaft, den Stempel 5 mit der Oberfläche des Meßwiderstands 6 zu verkleben. Bei einer planen Oberfläche kann dies mit einer besonders dünnen und infolgedessen besonders gut reprodu zierbaren Klebeschicht erfolgen, die zusätzlich nur eine kleine Hysterese und einen geringen Temperatureffekt erzeugt.In order to achieve a good connection between the stamp 5 and the measuring resistor 6 , it is advantageous to glue the stamp 5 to the surface of the measuring resistor 6 . In the case of a flat surface, this can be done with a particularly thin and consequently particularly reproducible adhesive layer which additionally only produces a small hysteresis and a low temperature effect.

Die Überlappungsschicht 1 ist so ausgelegt, daß sie die Leiterbahnen 3 überlappt. Durch diese Überlappung wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Leiterbahnen 3 und dem Meßwiderstand 5 hergestellt. Die weitere Schicht 2, die aus demselben Material wie die Überlappungs schicht 1 besteht, ist von ihrer geometrischen Abmessung derart aus gestaltet, daß die durch die Überlappung mit den Leiterbahnen 3 ver ursachte Randüberhöhung der Überlappungsschicht 1 ausgeglichen wird. Dies bedeutet, daß die weitere Schicht 2 in ihren geometrischen Ab messungen gerade so ausgelegt ist, daß die Oberfläche des von der Überlappungsschicht 1 und der weiteren Schicht 2 gebildeten Meß widerstandes eben ist. The overlap layer 1 is designed such that it overlaps the conductor tracks 3 . This overlap creates an electrical contact between the conductor tracks 3 and the measuring resistor 5 . The further layer 2, the layer of the same material as the overlap is 1, is designed by their geometrical dimensions from such that the ver by the overlap with the conductor tracks 3 ursachte edge elevation of the overlapping layer 1 is compensated. This means that the further layer 2 is designed in its geometric dimensions just so that the surface of the measuring resistance formed by the overlap layer 1 and the further layer 2 is flat.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Verfahrens gezeigt. Auf einem Träger 4 sind wieder Leiter bahnen 3 angeordnet. Zur Herstellung des Meßwiderstandes 6 wird je doch in diesem Fall zunächst die weitere Schicht 2 aufgedruckt, die so ausgelegt ist, daß sie exakt zwischen die beiden Leiterbahnen 3 paßt. Weiterhin ist die Dicke der weiteren Schicht 2 so ausgelegt, daß die entstandene Schicht bündig mit der Oberfläche der Leiter bahnen 3 ist. Erst im zweiten Schritt wird durch die Überlappungs schicht 1 ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zu den Leiterbahnen 3 hergestellt. Auch durch diese Vorgehensweise wird eine plane Ober fläche des Meßwiderstandes 6 erreicht. Auf den in den Fig. 4 ge zeigten Sensor drückt der Stempel 5 in der gleichen Weise wie in der Fig. 3 gezeigt.In FIG. 4, a further embodiment of the method according invention is shown. On a carrier 4 tracks 3 are again arranged. In order to produce the measuring resistor 6 , the additional layer 2 is first printed in this case, which is designed so that it fits exactly between the two conductor tracks 3 . Furthermore, the thickness of the further layer 2 is designed so that the resulting layer is flush with the surface of the conductor tracks 3 . Only in the second step is a reliable electrical contact to the conductor tracks 3 produced by the overlap layer 1 . This procedure also achieves a flat surface of the measuring resistor 6 . On the sensor shown in FIG. 4, the stamp 5 presses in the same manner as shown in FIG. 3.

Zwischen den einzelnen Druckschritten für die Herstellung des Meß widerstandes 6 wird die jeweils zuerst aufgedruckte Schicht ge trocknet und evtl. gebrannt. Durch das Brennen wird verhindert, daß beim Drucken der zweiten Schicht die bereits aufbrachte erste Schicht beschädigt werden kann. Wenn man die erste Schicht nach dem Aufdrucken nur trocknet, so ist das Herstellungsverfahren einfacher und somit kostengünstiger.Between the individual printing steps for the manufacture of the measuring resistor 6 , the layer printed first is dried and possibly fired. The firing prevents the first layer already applied from being damaged when the second layer is printed. If you only dry the first layer after printing, the manufacturing process is simpler and therefore cheaper.

Der Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Verfahrens gezeigt. Auf eine mit Leiterbahnen 3 versehen Träger 4 wird wie in der Fig. 4 zunächst eine weitere Schicht 2 aufgedruckt. Diese weitere Schicht 2 ist so ausgelegt, daß sie exakt zwischen die beiden Leiterbahnen 3 paßt. Im Unterschied zur Fig. 4 ist jedoch die Dicke der weiteren Schicht 2 so ausgelegt, daß sie die Dicke der Leiterbahnen 3 überragt. Durch das Aufdrucken der Überlappungsschicht 1 entsteht dann ein Meßwiderstand 6, bei dem keine Gefahr besteht, daß ein aufgesetzter Stempel 5 auf die Leiter bahnen 3 bzw. auf die auf den Leiterbahnen 3 angeordneten Bereiche der Überlappungsschicht 1 drückt. Durch diesen Meßwiderstand 6 kann somit ein besonders einfacher Stempel 5 verwendet werden. Weiterhin werden die Anforderungen an die Justiergenauigkeit bei der Montage des Stempels 5 und beim Aufdrucken der Überlappungsschicht 1 ver ringert. FIG. 5 is shown a further embodiment of the erfindungsge MAESSEN method. Another layer 2 is first printed onto a carrier 4 provided with conductor tracks 3 , as in FIG. 4. This further layer 2 is designed so that it fits exactly between the two conductor tracks 3 . In contrast to FIG. 4, however, the thickness of the further layer 2 is designed such that it exceeds the thickness of the conductor tracks 3 . By printing the overlapping layer 1 then a measuring resistor 6, is where there is no danger that a patch punch 5 traces on the printed circuit 3 and presses on the disposed on the conductor tracks 3 areas of the overlapping layer 1 is formed. A particularly simple stamp 5 can thus be used through this measuring resistor 6 . Furthermore, the requirements for the accuracy of adjustment when mounting the stamp 5 and when printing the overlap layer 1 are reduced ver.

Claims

1. A method for producing a force sensor in which a stamp presses on a measuring resistor produced by screen printing and the resulting change in resistance is measured by two conductor tracks, characterized in that two layers ( 1 , 2 ) are printed one above the other for the measuring resistor ( 6 ) , of which an overlap layer (1) overlaps the conductor tracks (3) and a further layer (2) does not overlap the conductor tracks and arranged in the thickness so that the resulting by the overlap with the conductor tracks (3) edge elevation of the overlapping layer (1 ) is at least balanced.

2. The method according to claim 1, characterized in that first an overlap layer ( 1 ) and then the further layer ( 2 ) is printed GE.

3. The method according to claim 1, characterized in that first the further layer ( 2 ) and then the overlap layer ( 1 ) is printed.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that between the individual printing steps the already applied layer is dried.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized ge indicates that between the individual printing steps the already applied layer is fired.

6. Force sensor with a measuring resistor made by screen printing, on which a stamp presses, and the resulting change in resistance is measured by two conductor tracks, characterized in that the measuring resistor ( 6 ) consists of two layers made by screen printing ( 1 , 2 ) , of which an overlap layer ( 1 ) overlaps the conductor tracks ( 3 ) and another layer ( 2 ) does not overlap the conductor tracks and is designed in such a thickness that the edge overlap of the overlap layer resulting from the overlap with the conductor tracks ( 3 ) ( 1 ) is balanced.