CZ180295A3

CZ180295A3 - Power sensor

Info

Publication number: CZ180295A3
Application number: CZ951802A
Authority: CZ
Inventors: Ralf Leiter; Nick Alfort; Rudiger Eick
Original assignee: Lucas Ind Plc
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1994-01-11
Publication date: 1997-07-16
Also published as: BR9405809A; TW286358B; AU687030B2; AU5882094A; CN1092165A; JPH08505471A; DE4300995C2; KR960700443A; DE4300995A1; ZA94133B; WO1994016300A1; EP0679248A1

Description

(57) Anotace:

Silový senzor obsahuje nejméně jeden citlivý prvek (14), který je vystaven působení síly. Citlivý prvek (14) mění v závislosti na této síle své elektrické vlastnosti a měří se elektrický proud protékající tímto citlivým prvkem. Citlivý prvek (14) je tvořen odporovou vrstvou z tlustého filmu a elektrický proud protéká citlivým prvkem (14) ve směru působící síly. Rovněž je uveden i způsob výroby silového senzoru.

(13) Druh dokumentu: A3 (51) Int. Cl.⁶:

G 01 L 1/18

bO

Silový senzor

TJ < 2 r- C« > 2 </> -;· C· z:

..*> q - O 2 >»

IV to σ

o c/>«

O

Oblast techniky

Li rc rc

o.

Vynález se týká silového senzoru, jenž má alespoň jeden měřená síla, a tento citlivý měřené síle své elektrické případě elektrický odpor. Při citlivý prvek, na který působí prvek mění v závislosti na vlastnosti, což je v typickém měření je na citlivý prvek vloženo elektrické napětí a protéká jím proto elektrický proud. Jelikož elektrický odpor (impedance) závisí na působící sile, změřená hodnota elektrického proudu je funkcí působící síly a také měření proudu je nepřímo měřením síly.

Pokud na těleso působí síla, působí na těleso také tlak. Proto, když v následujícím popisu se používá pojem síla, zahrnuje tento popis též provedení, u kterých na silový senzor působí tlak.

Dosavadní stav techniky

Jsou známy silové senzory využívající tzv. sendvičovou konstrukci (DE-A-28 54 080). U této známé sendvičové konstrukce se používají jako citlivé prvky nevodivé pružné elastomery obsahující vodivá uhlíková vlákna. Tento citlivý prvek je umístěn sedvičovým způsobem mezi kontaktními prvky a síla působí na plochou vrstvu pružného elastomerů ve sméru kolmém na rovinu vrstvy. S protilehlými povrchy vrstvy elastomerů jsou spojeny elektrické elektrody a po stlačení vrstvy elastomerů působící sílou se sníží elektrická impedance vrstvy, jelikož vodivá uhlíková vlákna se orientují ve směru kolmém na rovinu vrstvy elastomerů, přičemž se věří, že během stlačování vede stále více a více uhlíkových vláken proud mezi elektrodami, čímž se odpor snižuje v závislosti na stlačovací síle. U tohoto systému s pružným elastomerem obsahujícím uhlíková vlákna, jež jsou orientována napříč vrstvou elastomerů, t.j. ve směru působící síly, je pouze možné měřit proud ve sméru působící síly. Při výrobě takového silového senzoru s elastomerem se nevyskytují technologické problémy se zkraty, jelikož tloušťka elastomerů typicky bývá kolem milimetru.

V dosavadním stavu techniky je také známo použití tzv. technologie tlustého filmu výroby silového senzoru (DE-A-38 18 191 a DE-A-41 11 148). Podle této technologie je na spodní nosný materiál s předtištěnými elektrickými kontakty natištěn Odporový pastový materiál, čímž se spojí elektrické kontakty a vznikne vodivá cesta pro elektrický proud. Potom se na měkký odporový pastový materiál uloží druhý vrchní nosný materiál, materiál se vytvrdi, čímž se vzájemně spojí vrchní nosný a spodní nosný materiál. Měřená síla působí přes vrchní a přes spodní nosný materiál, t.j. síla působí na vrstvený citlivý prvek ve směru kolmém na rovinu vrstvy. U toho známého systému silového senzoru se proud však neměří ve směru působící síly, ale ve směru, jenž je kolmý na působící sílu, t.j. v rovině sendvičové odporové vrstvy. Je tomu tak, z následujících důvodů.

Osobám znalým oboru je známo, že technologie tlustého filmu zahrnuje proces tištění. Tloušťka odporové vrstvy tlustého filmu závisí na tloušťce vytištěného odporového inkoustu, která zase závisí na rozměru ok potiskovacího síta a dále závisí na počtu nanesených tisků.

U výroby silového senzoru technologií tlustého filmu je (mezi jiným) velkým problémem vznik zkratů mezi vrchními a spodními elektrickými kontakty ve vrstvené struktuře, pokud proud touto strukturou protéká (v protikladu s dosavadním stavem techniky) kolmo na rovinu vrstvené struktury, t.j. ve směru působící síly. Tyto zkraty vznikají následkem defektu při tištění. Zkraty mohou vzniknout zejména tam, kde ve vytvrzeném odporovém inkoustu ve směru kolmém na rovinu vrstvy jsou malé dírky. Tyto dírky v odporové vrstvě jsou později v průběhu následujícho kroku výrobního procesu zaplněny vodivým materiálem překrývajícího elektrického kontaktu a tak vznikají zkraty mezi vrchními a spodními kontakty. Silové senzory zhotovené technologií tlustého filmu podle dosavadního stavu techniky proto měří proud protékající ve směru kolmém na působící sílu, t.j. ve směru rovnoběžném s hlavní rovinou odporové vrstvy (viz výše uvedené dokumenty).

Jiný vážný problém silových senzorů zhotovených technologií tlustého filmu je způsoben difúzí ve spojích. Mělo by být zřejmé, že při vytvrzování dvou nebo více různých pastových materiálů majících podobné teploty vytvrzování anebo měknutí spojové oblasti mezi dvěma sousedícími pastami se do jisté míry navzájem mísí (difundují). Tento tok nepředstavuje vážný problém pokud tloušťka tlustého filmu mezi vrstvami tvořícími kontakty je vyšší než 1000 μη. Pokud odporová vrstva tlustého filmu má ale tloušťku např. 30 až 80 μ,ιη, difúze (poměr průniků) vodivých past do odporové pasty je velká a vyvolá to problémy s částečnými nebo úplnými zkraty.

Použití kontaktních materiálů obsahujících volné stříbrné ionty může také vyvolat dlouhodobé problémy, které jsou způsobeny rizikem migrace stříbra při možné vlhkosti a v přítomnosti elektrických polí.

Elektrické zkraty mezi elektrodami mohou být také způsobeny organickými sloučeninami v pastových materiálech pro tlustý film. Tyto organické sloučeniny mohou během vytvrzování anebo sušení vytvořit plyny unikající vzhůru pastou a nesoucí s sebou vodivé částice, čímž se citlivý prvek zkratuje. V důsledku těchto četných problémů se zkraty v technologii tlustého filmu podle dosavadního stavu techniky se měří procházející proud přes délku tlusté vrstvy nikoliv a proud procházející přes relativně krátkou vzdálenost ve směru působící síly.

Podstata vynálezu

Předmětem předloženého vynálezu je silový senzor s vysokou citlivostí měření, s vysokou spolehlivostí a neovlivněný místem působemí síly (nebo tlaku). Silový senzor je též relativné kompaktní.

Předložený vynález (jak je popsáno v patentových nárocích) řeší tento problém na základě citlivého prvku zhotoveného technologií tlustého filmu a proudu protékajícího v podstatě ve směru působící síly.

Podle předloženého vynálezu u silového senzoru sendvičového typu se používá technologie tlustého filmu pro odporovou vrstvu (citlivý prvek), přičemž změna velikosti působící síly ve směru kolmém na rovinu citlivého prvku způsobí změnu odpovídající složky elektrického odporu v citlivém prvku (t.j. složky kolmé na rovinu vrstvy) a tím i změnu elektrického proudu protékajícího ve směru síly. Tato změna elektrického odporu resp. elektrického proudu může být přímo měřena pomocí kontaktních prvků tvořících vrstvu ležící pod odporovou vrstvou z tlustého filmu a vrstvu ležící nad touto odporovou vrstvou neboli tvořících s odporovou vrstvou sedvičovou konstrukci. U tohoto uspořádání jsou změny odporu ve směru působící síly větší než ve směru kolmém na působící sílu. Tato výhoda je využita v předloženém vynálezu. Dále, podle předloženého vynálezu je měřící signál relativně nezávislý na místě působení síly.

Výhodná provedení předloženého vynálezu jsou popsána v závislých patentových nárocích.

Součástí předloženého vynálezu je také způsob výroby silového senzoru výše popsaného typu.

Podle výhodného provedení předloženého vynálezu silový senzor je opatřen můstkovým obvodem (jenž je ve spojení se silovými senzory znám sám o sobě , viz DE-A-41 11 148). Můstkový obvod (např. Wheatsoneův můstek) je výhodně zabudován do sendvičové konstrukce v průběhu procesu tištění při výrobě odporové vrstvy. Další části můstku jsou alespoň částečně vytištěny na stejné nosné desce spolu s dalšími díly silového senzoru. Z tohoto postupu vyplývají zlepšené teplotní charakteristiky. Tímto způsobem je také možné zabudovat na nosnou desku zesilovač signálů a tak vytvořit sestavu kompaktního senzoru a zesilovače.

Přehled obrázků na výkrese

Bude popsáno několik příkladů silového senzoru podle předloženého vynálezu s odkazem na přiložené výkresy.

Obr.l je řez prvním provedením silového senzoru.

Obr.2 znázorňuje silový senzor podle obr.l, přičemž pohled je ve směru působící síly.

Obr.3 představuje elektrický náhradní obvod silového senzoru podle obr.l a 2.

Obr.4 je řez druhým provedením silového senzoru.

Obr.5 je pohled svrchu na silový senzor podle obr.4.

Obr.6 představuje elektrický náhradní obvod silového senzoru podle obr.4 a 5.

Obr.7 je řez třetím provedením silového senzoru.

Obr.8 je pohled svrchu na silový senzor podle obr.7.

Obr.9 představuje elektrický náhradní obvod silového senzoru podle obr.7 a 8.

Obr.10 je řez čvrtým provedením silového senzoru.

Obr.11 je pohled svrchu na silový senzor podle obr.10.

Obr.12 představuje elektrický náhradní obvod silového senzoru podle obr.10 a 11.

Obr.13 je řez pátým provedením silového senzoru.

Obr.14 je pohled svrchu na silový senzor podle obr.13.

Obr.15 představuje elektrický náhradní obvod silového senzoru podle obr.13 a 14.

Obr.16 je řez šestým provedením silového senzoru.

Obr.17 je pohled svrchu na silový senzor podle obr.16.

Obr.18	představuje elektrický	náhradní obvod	silového
senzoru podle obr.16 a 17.
Obr.19	je pohled svrchu na	silový senzor s	můstkovým
obvodem.
Obr.20	je pohled svrchu na	silový senzor s	můstkovým
obvodem a	s nepravým senzorem.
Obr.21	představuje jiné provedení silového senzoru

s můstkovým obvodem, u něhož jsou nepravý senzor a silový senzor integrovány.

Příklady provedeni vynálezu

U následujících příkladů silového senzoru mají díly nebo prvky se stejnou nebo podobnou funkcí stejné vztahové značky.

Jak je znázorněno na obrázcích, základem je nosná deska .10 např. z keramického materiálu, jako je Α1₂θ3 (alumina). Na nosné desce 10 je uložen spodní kontaktní prvek 12. Nad spodním kontaktním prvkem 12 je citlivý prvek .14. Citlivý prvek 14 je tvořen odporovou vrstvou z tlustého filmu nebo několika těmito vrstvami. Nahoře na citlivém prvku 14 je uložen vrchní kontaktní prvek 16.

Měřená síla F je na obrázcích vyznačena šipkou, t.j. síla působí ve směru kolmém na hlavní rovinu ploché vrstvené struktury. Síla F může např. působit na silový senzor prostřednictvím razidla 18.

Vrchní přípojka 20 zasahuje z úrovně vrchního kontaktního prvku 16 na úroveň nosné desky 10, jak je ukázáno na obr.l a 2. Spodní přípojka 22 tvoří elektrickou koncovku pro spodní kontaktní prvek 12.

Jak je znázorněno na obr.l a 2, citlivý prvek 14 přesahuje přes spodní kontaktní prvek 12, s výjimkou místa, kde se nachází spodní přípojka 22. Vrchní kontaktní prvek 16 zasahuje stejně daleko jako spodní kontaktní prvek 12, jak je také ukázáno na obr.l a 2. Vrchní kontaktní prvek 16 má přibližně stejné rozměry jako spodní kontaktní prvek 12.

U tohoto provedení se používá stejný materiál pro spodní přípojku 22 a odpovídající spodní kontaktní prvek 12.

Citlivý prvek 14 je tvořen odporovou vrstvou z tlustého filmu, která je vytištěna na spodním kontaktním prvku 12 (viz níže).

Vrchní kontaktní prvek 16 je izolován od spodního kontaktního prvku 1_2 prostřednictvím přesahujícího citlivého prvku 14 (z odporového materiálu). Jak je ukázáno na obr.2, vrchní přípojka 20 je odsazena o určitý úhel od spodní přípojky 22, aby mezi oběma přípojkami nedošlo ke zkratu.

Obr.3 představuje elektrický náhradní obvod tohoto silového senzoru. V závislosti na velikosti síly F mění citlivý prvek 14. t.j. odporová vrstva z tlustého filmu, svoji impedanci a proto i proud i protékající mezi vrchní přípojkou 20 a spodní přípojkou 22 mění svoji velikost (samozřejmě, pokud je na přípojky vloženo napětí). Na obrázcích je směr proudu i vyznačen šipkou.

Obr.4 až 6 znázorňují jiný příklad silového senzoru, u něhož je spodní kontaktní prvek 12 rozdělen nejméně na dva jednotlivé ploché prvky. Rozdělené plochy dvou spodních kontaktních prvků 12, 12a jsou spojeny se svými spodními přípojkami 22. 22a (obr.5). U provedení silového senzoru podle obr. 4 až 6 vrchní kontaktní prvek 16 nemá přípojku. Toto provedení má tu výhodu, že přípojky jsou jen na spodní nosné desce 10. Spodní kontaktní prvky 12, 12a jsou odděleny mezerou 24. Hlavní vodivá cesta (tok proudu) tohoto silového senzoru vede z prvního spodního kontaktního prvku 12 přes plochu citlivého prvku 14., jež se nachází nad tímto spodním kontaktním prvkem 12, do vrchního kontaktního prvku 16, potom vrchním kontaktním prvkem 16 a druhou plochou citlivého prvku 14 do

Ί druhého spodního kontaktního prvku 12a. Toto značí, že proud teče alespoň částečně vodivou cestou, která je rovnoběžná se směrem působení síly F (na obrázcích vždy vyznačené tlustou šipkou).

U příkladu silového senzoru na obr.4 až 6 existuje druhá, méně významná vodivá cesta, která začíná u prvního spodního kontaktního prvku 12, vede odporovým materiálem v mezeře 24 (jenž může být stejný jako materiál v citlivém prvku 14) do druhého spodního kontaktního prvku 12a. Vliv této mezery je malý a může být dále zmenšen, bud zvětšením velikosti mezery 24 anebo nepřítomností odporového materiálu v mezeře 24.

Podle obr.6 protéká proud ze spodní přípojky 22 do další spodní přípojky 22a a ukazuje na velikost působící síly F.

Obr. 7 až 9 znázorňují příklad silového senzoru, jenž odpovídá příkladu z obr.4 až 6 s tou výjimkou, že vrchní kontaktní prvek 16 má další vrchní přípojku 20 umožňující řadu různých zapojení.

Obr.10 až 12 znázorňují jiný příklad silového senzoru, u něhož je pozměněn proces tištění tak, že spodní kontaktní prvek 12 a vrchní kontaktní prvek 16, vrchní přípojka 20 a spodní přípojka 22 jsou vytištěny na protilehlých stranách citlivého prvku 14 ve srovnání s příklady provedení znázorněnými na obr.4 až 9. Je to patrné z obr.10 až 12.

Provedení znázorněné na obr.13 až 15 odpovídá provedením z obr.10 až 13 s tou výjimkou, že spodní kontaktní prvek 12 má další spodní přípojku 22. Když působí dvě různé síly F-^ a F₂, jak je ukázáno na obr. 13 a 15, obé síly F^ a F₂ mohou být měřeny samostatné pomocí změn odporu (impedance) příslušných ploch citlivého prvku 14, na které tyto dvě síly F^ a F₂ působí. Týká se to také obr.7 až 9.

Obr.16 až 18 znázorňují další příklad silového senzoru s průchozím otvorem 26 procházejícím vrstvenou strukturou tvořící citlivou vrstvu. Průchozí otvor 26 znázorněný na obr.16 a 17 je válcovitý, ale může být i jiného tvaru. Na příklad, v nosné desce 10 a všech prvcích umístěných nad touto deskou může být otevřená štěrbina.

Otvor 26 může být použit k vložení mechanického dílu působícímu stlačující silou na nosnou desku 10 a na prvky i2, a 16, čímž na této desce a na těchto prvcích vzniká před počátkem působení síly F určité predpětí.

Materiálem nosné desky 10 může být nevodivý materiál, např. 96% oxid hlinitý, ale může jím být také vodivý materiál, např. materiál na bázi kovu, přičemž část vnějšího povrchu tohoto vodivého materiálu je nevodivá a je tvořená např. tenkou vrstvou oxidu nebo tenkou vrstvou skla.

U výše popsaných příkladů (a u následujících příkladů) je pro citlivý prvek 14 použit vytvrzený či vypálený odporový materiál z tlustého filmu, přičemž elektrický signál (proud) vyvolaný působící silou (nebo tlakem) má stejný směr jako působící síla.

Citlivý prvek 14 má amorfní strukturu obsahující vodivé atomy kovu pevně ukotvené ve skleněné hmotě, přičemž impedance citlivého prvku 14 závisí na oddělení vnějších orbitalů vodivých atomů. Toto oddělení a proto i impedance citlivého prvku 14 mohou být vlivem působící síly změněny. Absolutní velikost deformace odporových vrstev vyvolaná sílou se měří v mikronech.

Pokud síla působí ve směru kolmém na rovinu vrchního kontaktního prvku 16 silového senzoru a pokud nosná deska 10 je pevně uložena (není pohyblivá nebo ohybatelná), mění se hodnota odporu citlivého prvku 14, přičemž změna odporu se měří pomocí změny proudu a tento změřený signál je úměrný působící síle. Jestliže je nosná deska 10 upevněna tak, aby se při zatížení nekroutila, výstupní změna impedance je vyvolána stlačením odporové vrstvy v mikroskopickém měřítku a to pouze ve směru působení síly. Jestliže naopak je nosná deska 10 upevněna tak, aby se při zatížení silový senzor ohnul (tenzometrický režim), změna výstupní impedance odporové vrstvy citlivého prvku 14 bude větší, ale síla bude omezena ohýbací pevností nosné desky 10. Výběr pracovních režimů může být dán uspořádáním krytu silového senzoru (není znázorněn).

Silový senzor zobrazený u výše popsaných příkladů (a u následujících příkladů) může být pozměněn použitím prostředí, které vykazuje plastickou deformaci mezi nejvýše položeným povrchem silového senzoru znázorněným na výkresech (t.j. vrchním povrchem vrchního kontaktního prvku 16.) a povrchem mechanického dílu, jehož prostřednictvím působí síla (tj. razidlem 18). Toto prostředí vykazující plastickou deformaci může být zatíženo již během výrobního procesu silového senzoru, čímž se přizpůsobí povrchy prostředí vykazujícího plastickou deformaci povrchům silového senzoru a povrchům dalších mechanických dílů (např. razidla 18.), jejichž prostřednictvím působí síla. Toto zatížení vzniklé při výrobním procesu může být větší než pracovní zatížení silového senzoru.

Aby se zabránilo uvedeným potížím týkajících se zkratů v citlivém prvku, musí se vzít v úvahu vlastnosti jednotlivých vrstev ve spojitosti s dalšími vrstvami a spojovacími činidly a vzájemné body tání a teploty vytvrzování vrstev materiálu. Může být zejména výhodné kombinovat různé technologie (na příklad jeden nebo několik kontaktních prvků 12 a kontaktních prvků 16 může být vyrobeno technikou tenkého filmu).

Silové senzory zobrazené na obr.l až 17 mohou být např. vyrobeny následovně.

Spodní kontaktní prvek 12, a pokud je to vyžadováno, spodní přípojka 22 mohou být ze stejného materiálu. Výhodným materiálem pro tyto vodivé díly je takový materiál, který využívá spojovací mechanismus na záladě oxidů k spojení keramické nosné desky 10, a může jím být vodivá pasta, u níž během vytvrzování či vypalování (kolem 850’C) dochází k chemické reakci, jež je při dalším vytvrzování nevratná. S použitím této pasty jsou spodní kontaktní prvek 12 a spodní přípojka 22 vytištěny na nosnou desku 10 a potom jsou vysušeny a vytvrzeny podle návodu výrobce. Pro spodní kontaktní prvek 12 je také možné použít tlustý film na základě spojovací pasty nebo fritovou spojovací pastu, přičemž bod tavení skleněných frit obsažených v této pastě je vyšší než nejvyšší vytvrzovací teplota pastového materiálu pro odpory pro citlivý prvek 14.

Na vytvrzený spodní kontaktní prvek 12 jsou potom vytištěny vrstvy z tlustého filmu, čímž vznikne citlivý prvek 14. Materiálem pro citlivý prvek 14 je výhodně pasta vybraná z past tvrditelných při nejvyšší teplotě 850°C. Spojovacím mechanismem těchto past je tzv. fritové spojování. Pasta obsahuje malé částice skla (frity), které se roztaví během vytvrzovacího procesu, přičemž teplota tavení frit je nižší nejvyšší teplota vytvrzování odporové pasty. Po ochlazení je výrobek držen pohromadě těmito ztuhlými částicemi skla. Pokud skleněné frity jsou opět zahřátý na teplotu vyšší než je jejich bod tavení, spoj závisí na teplotě. Jestliže se dosáhne této teploty, spojovací mechanismus přestane působit, čímž se umožní původně pevně ukotveným částicím volný pohyb. Aby nedošlo ke vzniku malých dírek v odporové vrstvě (a i tím ke vzniku zkratů), odpor je vytištěn minimálně ve dvou vrstvách, přičemž po každém vytištění je odporový inkoust ponechán vyschnout (např. v peci při 150’C po dobu přibližně 15 minut). Délka doby může být upravena v závislosti na objemu inkoustu a na obsahu rozpouštědla v odporové pastě.

Když vytištěné odporové vrstvy dosáhnou požadované tloušťky v suchém stavu, vysušené inkoustové vrstvy jsou vytvrzeny na spodním kontaktním prvku 12 a na nosné desce 10.. Podle požadované celkové tloušťky vytištěné vrstvy mohou být vytvrzeny odporové vrstvy pro citlivý prvek 14 v nejméně jednom mezistádiu před dosažením konečné požadované tloušťky.

Vrchní kontaktní prvek 16, a pokud se to vyžaduje, i přípojka 20 mohou být opět zhotoveny ze stejného vodivého materiálu, t.j. z pastového materiálu využívajícího skleněných frit o nízkém bodu tavení. Skleněné frity o nízkém bodu tavení se roztaví a vytvrzují se při teplotě, která je nižší, než je teplota tavení skleněných frit obsažených v níže položených odporových vrstvách citlivého prvku 14. Pasta určená pro vrchní kontaktní prvky 16 se natiskne na vytvrzený odporový materiál citlivého prvku 14., ponechá se vyschnout v peci a vytvrdí se na citlivém prvku 14 podle návodu výrobce.

Tloušťka vytvrzené odporové vrstvy citlivého prvku 14 se nachází výhodné v rozsahu 5 až 100 μιη, nejlépe 5 až 50 μπι.

Obr.19 až 20 znázorňují modifikaci a speciální využití výše popsaného silového senzoru majícího můstkové zapojení.

U příkladu z obr.19 vstupní napětí pro můstkový obvod se vkládá na vstupní koncovky 38., 38a♦ Impedance odporu 34 může být nastavena pomocí např. laserové kalibrace nebo podobnými brusnými způsoby, čímž se dosáhne požadované citlivosti můstku.

Jak je ukázáno na obr.19, součástky můstku zejména odpory 30, 32. 34 a 36 včetně nejméně jednoho kalibračního odporu 34 se mohou nacházet na nosné desce 10 společně s vlastním silovým senzorem 28. Vztahová značka 28 na obr.19 až 21 označuje silový senzor podle jednoho příkladu provedení z obr.l až 18.

Odpory můstku, přípojky, a pokud je to vyžadováno, i odpory spojené se zesilovačem signálu mohou být zhotoveny při tištění a vytvrzování vlastního silového senzoru 28., přičemž vytvrzování odporů může být spojeno s konečným vytvrzováním odporu z tlustého filmu citlivého prvku 14.

U provedení znázorněného na obr.19 odpor 32 a vlastní silový senzor 28 jsou na základě různých odporových pastových materiálů a mají velmi odlišnou konstrukci. Z toho vyplývá, že obě součástky mají rozdílné teplotní koeficienty odporu. Rozdíl mezi oběma materiály napomáhá k určení tepelné stability konečného výstupního signálu.

Na obr.20 je znázorněna konstrukce silového senzoru se zlepšeným vyrovnáváním teploty. U tohoto provedení je odpor 32. z obr.19 nahražen odporem 40, jenž je téměř přesnou kopií silového senzoru 28 (vzhledem k ploše a k tlouštce odporového materiálu citlivého prvku 14 mezi spodním kontaktním prvkem a vrchním kontaktním prvkem). Mimoto, pastové materiály použité pro odporové vrstvy nepravého senzoru 40 a a pro odporové vrstvy silového senzoru 28 jsou stejné. Jednotlivé vrstvy vytvářející silový senzor 28 a nepravý senzor 40 měly by být vytištěny s použitím stejné sítové šablony nebo aplikátoru pro sítový tisk, aby se vyrovnaly jakékoliv rozdíly v tlouštce materiálu nebo rozdíly materiálů v obou vytištěných dílech.

Jakýkoliv rozdíl v teplotních koeficientech odporů 30 a 36 z obr.19 ovlivňuje tepelnou stabilitu výsledného výstupního signálu. Použití stejného pastového materiálu pro odpory 30 a 36. zlepší proto teplotní vyrovnávání.

Odpory 30 a 36 mohou být bud vytištěny tak, aby měly rozdílnou tloušťku stejného odporového inkoustu nebo aby měly rozdílné poměry délka/šířka (opět za použití stejného odporového inkoustu), přičemž umístění kalibračního odporu je dáno poměry odporových součástek ve výsledném můstku. Zvolený kalibrační odpor (volba provedena při tištění) se potom kalibruje (např. pomocí laseru), dokud požadovaný bod výstupního napětí můstku se nedosáhne mezi TP1 a TP2.

Nepravý senzor 40 a silový senzor 28 mohou vytvářet jeden kombinovaný silový senzor/nepravý senzor, což je výhodné z hlediska zmešené velikosti. Obr.21 znázorňuje toto provedení, přičemž na plochu nepravého senzoru 40 nepůsobí žádná síla. Obrázek znázorňuje konstrukci vycházející z konstrukce na obr.14, ale alternativně může vycházet i z konstrukce na obr.8.

Při výrobě silového senzoru s můstkovým zapojením osvědčily se následující detaily:

Celkově se používají čtyři sítové šablony.

První sítová šablona se používá pro zhotovení spodního kontaktního prvku na nosné desce. Síto je zhotoveno z nekorodující oceli o hustotě 2095/cm² (325/inch²). Úhel sítoviny činí 45’.

Druhá sítová šablona se používá pro zhotovení odporů v můstkovém zapojení. Síto je zhotoveno z nekorodující oceli o hustotě 1290/cm² (200/inch²). Úhel sítoviny činí 45°.

Třetí sítová šablona se používá pro zhotovení odporové vrstvy citlivého prvku. Síto je také zhotoveno z nekorodující oceli o hustotě 1290/cm² (200/inch²). Úhel sítoviny činí 45’.

Čtvrtá sítová šablona se používá pro zhotovení vrchního kontaktního prvku. Síto je zhotoveno z nekorodující oceli o hustotě 2095/cm² (325/inch²). Úhel sítoviny činí 45’.

K přípravě jednotlivých vrstev se používají čtyři pasty určené pro tlusté filmy. Pro první kontaktní prvek se používá DuPont 5723 gold. Pro odpory v můstkovém zapojení se používá DuPont 1939 (10 k ohm). Pro odporovou vrstvu citlivého prvku a pro nepravý senzor se používá pasta Heraeus R8291 (1 G ohm). Pro vrchní kontaktní prvek se používá pasta Heraeus C4350 gold. Pasty se nanášejí strojem pro sítové tištění AMI PESCO 465.

Bylo dokázáno, že dobrých výsledků se dosáhne při výrobě spodního kontaktního prvku při dodržení následujících parametrů:

1. Vzdálenost sítové šablony od nosné desky: 0,762 mm (0,030'')

2. Tvrdost vrstvy:

3. síla:

4. Rychlost tištění:

5. Klidová doba při pokojové teplotě:

6. Doba sušení/teplota:

7. Tlouštka po usušení:

8. Vytvrzování v peci BTU při 850’C

9. Tlouštka po vytvrzení:

Při výrobě odporů v můstkovém zapojení dobrých výsledků se dosáhne při dodržení následujících parametrů:

1. Vzdálenost sítové šablony: 0,762 mm (0,030'')

2. Tvrdost vrstvy: 75 shore shore 13 N (1,3 kg)

11,43 Cffl/s (4,5’’/s) 10 min min/150’C 18 až 20 μη μη

3. Síla:

4. Rychlost tištění:

5. Klidová doba při pokojové teplotě:

6. Doba sušení/teplota:

7. Tloušťka po usušení:

Při výrobě citlivého prvku 14 dobrých při dodržení následujících parametrů:

1. Vzdálenost:

2. Tvrdost vrstvy:

3. Síla:

4. Rychlost tištění:

5. Klidová doba:

6. Doba sušení/teplota:

7. Kroky 1 až 6 se opakují čtyřikrát

8. Tloušťka po vytvrzení:

Při výrobě vrchního kontaktního prvku dosáhne při dodržení následujících parametrů:

1. Vzdálenost:

2. Tvrdost vrstvy:

3. Síla:

4. Rychlost tištění:

5. Klidová doba:

6. Doba sušení/teplota:

7. Tloušťka po usušení:

8. Tlouštka po vytvrzení:

N (1 kg)

11,43 cm/s (4,5’’/s) 10 min min/150’C μιη výsledků se dosáhne

0,762 mm (0,030 ' ') shore 10 N (1 kg)

10,92 cm/s (4,3'’/s) 10 min min/150’C až 70 μπι dobrých výsledků se

0,762 mm (0,030 ' ') shore

N (0,9 kg)

11,94 cm/s (4,7'’/s) min min/150°C 18 μπι 10 μιη

Uvedená technologie může být použita ve spojení s hybridní technologií anebo s technologií ASIC pro zabudování do systému integrovaného zesilovače signálu s odpovídajícími obvody, přičemž tento zesilovač s odpovídajícími obvody bude na stejné nosné desce 10 jako můstek a silový senzor.

Vnější povrch úplné sestavy silového senzoru (pokud se to požaduje, včetně můstového zapojení a zesilovače) může být bud částečně nebo úplně neprodyšně uzavřen pomocí fólie působící jako ochranný nebo isolační povlak.

Silový senzor popsaného typu může být zabudován do brzdového systému vozidla. Signál odpovídající velikosti měřené síly může být použit jako vstupní signál pro elektronické zapojení, jež ukazuje velikost síly, kterou si řidič přeje brzdit.

Tento silový senzor může být mimoto ve vozidle použit k řízení intenzity brzdových světel tak, aby intenzita brzdových světel se zvyšovala v závislosti na velikosti měřené síly, čímž se zlepšuje vizuální signál řidičům dalších vozidel.

Tento silový senzor může být také použit k ovládání výstražných světel vozidla při silném brzdění o určité intenzitě.

Claims

PATENTOVÉ N Á R C

P, Ul.i - ?

» í

1. Silový senzor obsahující nejméně jeden citlivý prvek (14), na který působí síla v určitém směru a v závislosti na této síle citlivý prvek (14) mění své elektrické vlastnosti, přičemž citlivým prvkem (14) protéká elektrický proud, vyznačující se tím, že tento elektrický proud protéká alespoň částečně cestou, jež má stejný směr jako působící síla (F) , přičemž citlivý prvek (14) je vytvrzený odporový materiál z tlustého filmu.
2. Silový senzor podle nároku 1, vyznačující se tím, že citlivý prvek (14) je tvořen materiálem měnícím svou elektrickou impedanci, když na citlivý prvek (14) působí síla.
3. Silový senzor podle nároku 2, vyznačující se tím, že citlivý prvek (14) je ve formě vrstvy a je umístěn sendvičovým způsobem mezi alespoň dva kontaktní prvky (12, 16).
4. Silový senzor podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje:

- nosnou desku (10), spodní kontaktní prvek (12), odporový materiál tvořící tlustý film jako citlivý prvek (14), vrchní kontaktní prvek (16), spodní přípojku (22) a vrchní přípojku (20), přičemž

- spodní kontaktní prvek (12) je umístěn na nosné desce (10) a spodní přípojka (22) vychází na vrchním povrchu nosné desky (10) ze spodního kontaktního prvku (12),

- citlivý prvek (14) se vyrábí z odporové pasty a přesahuje přes spodní kontaktní prvek (12),

- vrchní kontaktní prvek (16) je umístěn na citlivém prvku (14) a zasahuje stejně daleko jako spodní kontaktní prvek (12) ,

- přípojka (20) vycházející z vrchního kontaktního prvku (16) je uvedena do kontaktu s nosnou deskou (10),

- mezi vrchní přípojkou (20) a spodním kontaktním prvkem (12) se dosáhne elektrické isolace tím, že citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvek (12).
5. Silový senzor podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že obsahuje:

- nosnou desku (10), nejméně dva spodní kontaktní prvky (12, 12a), citlivý prvek (14) připravený z odporového materiálu určeného pro tlustý film, vrchní kontaktní prvek (16), nejméně dvě spodní přípojky (22, 22a), přičemž

- spodní kontaktní prvky jsou umístěny na nosné desce (10) a spodní přípojky (22, 22a) vycházejí na povrchu nosné desky (10) ze spodních kontaktních prvků (12, 12a),

- citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvky (12, 12a),

- vrchní kontaktní prvek (16) je umístěn na citlivém prvku (14) a zasahuje stejné daleko jako spodní kontaktní prvky (12, 12a).
6. Silový senzor podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že obsahuje:

- nosnou desku (10), nejméně dva spodní kontaktní prvky (12, 12a), citlivý prvek (14) připravený z odporového materiálu určeného pro tlustý film, nejméně jeden vrchní kontaktní prvek (16), nejméně dvě spodní přípojky (22, 22a) a nejméně jednu vrchní přípojku (20), přičemž spodní kontaktní prvky (12, 12a) jsou umístěny na nosné desce (10) a spodní přípojky (22, 22a) vycházejí ze spodních kontaktních prvků (12, 12a) a jsou umístěny na nosné desce (10),

- citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvky (12, 12a),

- vrchní kontaktní prvek (16) je umístěn na citlivém prvku (14) a zasahuje stejné daleko jako spodní kontaktní prvek, vrchní přípojka (20) vycházející z vrchního kontaktního prvku (16) je ohnuta na nosnou desku (10), mezi vrchní přípojkou (20) a spodními kontaktními prvky (12, 12a) se dosáhne elektrické isolace tím, že citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvky (12, 12a).
7. Silový senzor podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že obsahuje:

- nosnou desku (10), spodní kontaktní prvek (12), citlivý prvek (14) připravený z odporového materiálu určeného pro tlustý film, nejméně dva vrchní kontaktní prvky (16, 16a) a nejméně dvě vrchní přípojky (20, 20a), přičemž

- spodní kontaktní prvek (12) je umístěn na nosné desce (10),

- citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvek (12) ,

- vrchní kontaktní prvek je umístěn na citlivém prvku (14) a zasahuje stejně daleko jako spodní kontaktní prvek, vrchní přípojky (20, 20a) vycházející z vrchních kontaktních prvků (16, 16a) jsou ohnuty na nosnou desku (10),

- mezi vrchními přípojkami (20, 20a) a spodním kontaktním prvkem (12) se dosáhne elektrické isolace tím, že citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvek (12).
8. Silový senzor podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že obsahuje:

nosnou desku (10), spodní kontaktní prvek (12), citlivý prvek (14) připreivený z odporového materiálu určeného pro tlustý film, nejméně dva vrchní kontaktní prvky (16, 16a), spodní přípojku (22) a nejméně dvě vrchní přípojky (20, 20a), přičemž

- spodní kontaktní prvek (12) je umístěn na nosné desce (10) a spodní přípojka (22) vychází ze spodního kontaktního prvku (12) a je umístěna na nosné desce (10),

- citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvek (12),

- vrchní kontaktní prvky (16, 16a) jsou umístěny na citlivém prvku (14) a zasahují stejně daleko jako spodní kontaktní prvek (12), vrchní přípojky (20, 20a) vycházející z vrchních kontaktních prvků (16, 16a) jsou ohnuty na nosnou desku (10), mezi vrchními přípojkami (20, 20a) a spodním kontaktním prvkem (12) se dosáhne elektrické isolace tím, že citlivý prvek (14) přesahuje přes spodní kontaktní prvek (12).
9. Silový senzor podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že má otvor (26) procházející alespoň citlivým prvkem (14) ve směru působení síly (F).
10. Silový senzor podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je uspořádán v zapojení s Wheatsoneovým můstkem, jež je alespoň z části umístěno no nosné desce (10) a jež obsahuje alespoň jeden / přídavný vnější kalibrační odpor (34).
11. Silový senzor podle nároku 10,vyznačuj ící se tím, že obsahuje pro vyrovnávání teplot nepravý senzor (40, 40a), přičemž nepravý senzor se nepoužívá pro snímání síly.

12. Silový senzor podle jednoho z nároků 10 nebo 11, vyznačuj ící set í m , že alespoň jeden z odporů v můstkovém zapojení je tvořen vlastním silovým senzorem podle jednoho z nároků 4 nebo 8. 13. Silový senzor podle jednoho z nároků 10 až 12, vyznačuj ící se t í m , že relativní poměry

(délka, šířka a tloušťka) odporů v můstkovém zapojení jsou rozdílné, čímž odpory vykazují rozdílné hodnoty impedancí.
14. Silový senzor podle vyznačuj ící (10) nesoucí silový senzor signálů a podle požadavků signálů.

jednoho z se tím nároků 4 až 13, že se na nosnou desku přídavně integruje zesilovač též zapojení pro vyrovnávání
15. Silový senzor podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že je je neprodyšně uzavřen fólií připevněnou k vnějším povrchům silového senzoru.
16. Silový senzor podle vyznačuj ící povrchu silového deformovatelná hmota.

jednoho z předcházejících nároků, se tím, že na nejvrchnšjším senzoru je umístěna plasticky
17.

Silový senzor podle vyznačuj ící alespoň na jedné straně jednoho z nároků 4 až 16, se t í m , že nosná deska (10) je tvořena nevodivým materiálem.
18. Silový senzor podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se používá v brzdovém systému vozidel pro indikaci pohybu řidiče vozidla v souvislosti s brzděním.
19. Silový senzor podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že síla měřená silovým senzorem se používá k ovládání intenzity brzdových světel vozidla.
20. Způsob výroby silového senzoru podle jednoho z nároků 1 až 19, vyznačující se tím, že citlivý prvek (14) se vyrábí alespoň jedním nanesením odporového inkoustu určeného pro tlusté filmy pomocí sítového tisku.
21. Způsob podle nároku 20, vyznačující se tím, že citlivý prvek (14) se vytvrdí v jednom stupni nebo pro každou vytištěnou vrstvu ve zvláštním stupni.
22. Způsob podle nároku 20, vyznačující se tím, že citlivý prvek (14) se zhotoví vytvrzením párů vrstev tvořených vrstvami ze vzájemně sousedících odporů anebo skupiny vzájemně sousedících vrstev.
23. Způsob výroby silového senzoru podle jednoho z nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že materiál pro tlustý film je použit pro spodní kontaktní prvky anebo pro přípojky pevné uložené na nosné desce během vytvrzování s použitím spojovacího mechanismu na základě oxidu.
24. Způsob výroby silového senzoru podle jednoho z nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že materiál pro tlustý film je použit pro spodní kontaktní prvky anebo pro přípojky pevně uložené na nosné desce během vytvrzování s použitím směsného spojovacího mechanismu, přičemž teplota opětovného roztavení spodního kontaktního prvku (12) z tlustého filmu je vyšší než je vytvrzovací teplota odporového inkoustu, čímž se zabrání smíchání obou past na stykové ploše.
25. Způsob výroby silového senzoru podle jednoho z nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že materiál pro tenký film je použit pro spodní kontaktní prvky anebo pro přípojky, přičemž materiál pro tenký film je selektivně uložen na nosné desce s využitím techniky tenkého filmu.
26. Způsob výroby silového senzoru podle jednoho z nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že materiál pro tenký film je použit pro vrchní kontaktní prvky anebo pro přípojky, přičemž materiál pro tenký film je selektivně uložen na nejvrchnějším povrchu citlivého prvku anebo na nosném materiálu,
27. Způsob výroby silového senzoru podle jednoho z nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že materiál pro tlustý film je použit pro vrchní kontaktní prvky anebo pro přípojky pevně uložené na vrchním povrchu citlivých prvků s využitím spojovacího mechanismu na základě frit, přičemž nejvyšší vytvrzovací teplota pasty určené pro vrchní kontaktní prvky je nižší než je teplota opětovného roztavení pod vrchními kontaktními prvky umístěným odporovým materiálem pro tlustý film citlivého prvku.
28. Způsob výroby silového senzoru podle nároku 11, vyznačující se tím, že odporová vrstva citlivého prvku (14) a odporová vrstva nepravého senzoru (40, 40a) jsou vytištěny bud s využitím stejné sítové šablony nebo stejného aplikátoru inkoustu.