DE10036495A1

DE10036495A1 - Biegebalkensensor

Info

Publication number: DE10036495A1
Application number: DE2000136495
Authority: DE
Inventors: Aldo Bojarski; Werner Fichte; Klaus Dietze; Ulrich Leonhardt
Original assignee: AB Elektronik GmbH
Current assignee: AB Elektronik Sachsen GmbH
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: DE10036495C2; EP1176408A3; EP1176408A2

Abstract

Damit eine Kraftmeßvorrichtung einfach herstellbar ist und genaue Meßwerte abgibt, ist in ein Trägerkörperelement (34) entlang einer Schnittlinie (36, 38) bis zu einer Biegelinie (33) wenigstens ein Zungenabschnitt (37, 38) angeschnitten. Auf das Trägerkörperelement (34) ist in der Biegelinie (33) und zu einer Seite der Schnittlinie (36, 38) wenigstens ein Widerstandselement (R1, R2, R3, R4) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung, die wenig stens ein Trägerkörperelement aufweist, auf das eine Kraft gerichtet ist und auf dem Widerstandselemente angeordnet sind.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 4,311,980 bekannt. Auf einem Trägerkörper, der einseitig ein gespannt ist, sind im Biegebereich Widerstände aufgebracht. Als Trägermaterial kommen Keramik- oder Silizium-Scheiben zum Einsatz. Die Widerstände und die Leitungsverbindungen werden in Dickschicht-Technik hergestellt.

Nachteilig ist, daß die Widerstände auf der Vorder- und Rück seite oft nicht im gleichen Prozeßschritt herstellbar sind und eine hochwertige Wheatstonebrücke mit guter Unterdrückung von Temperatur- und Offsetfehlern und optimaler Signalausbeu te durch Verstimmung aller vier Widerstände nur schwer reali sierbar ist.

Aus der US 4,576,052 ist eine Trägerplatte aus Silizium be kannt, auf der auf einer Membranfläche vier Widerstände ange ordnet sind, die zu einer Wheatstonbrücke zusammengeschaltet sind. In das Siliziumplättchen sind darüber hinaus weitere Schaltkreiselemente eingebracht.

Nachteilig ist, daß bei einer Anordnung der Meßbrücke auf der Membran die Wandlerfunktion nicht linear ist.

Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der ein gangs genannten Art so weiter zu entwickeln das sie einfach herstellbar ist und genaue Meßwerte abgibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des An spruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde re darin, daß ein Biegebalkensensor mit hoher Linearität des erzeugten Signals bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit ent steht. Der relativ einfache Aufbau erlaubt es, daß die Zun genabschnitte in das Trägerkörperelement integriert werden können, so daß diese nicht zusätzlich befestigt werden müs sen, was in Abhängigkeit von der Verbindungsart zu Festig keitsproblemen sowie zu Nichtlinearitäten, zu unerwünschten Temperaturabhängigkeiten und Driften des Ausgangssignals füh ren kann. Darüber hinaus ist ein geringer Offset gewährlei stet, da sich die nötigen Widerstandselemente alle auf einer Seite des Trägerkörperelements befinden und bei geeigneter Gestaltung auch mit geringem räumlichen Abstand zueinander angeordnet werden können, wodurch sich eine hohe Reproduzier barkeit der Parameter bei einfacher kostengünstiger Technolo gie ergibt. Die elektrischen und mechanischen Parameter kön nen auf einfache Art und Weise variiert und den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden, in dem die Stegbreiten, auf denen sich die Widerstände befinden und die Materialstärke verändert werden.

In der Biegelinie können in einer Streckzone zwischen der Schnittlinie daneben liegenden Stauchzonen Widerstandselemente angeordnet sein. Hierdurch ergeben sich für den Ein- und Zwei-Zungen-Biegebalken jeweils zwei Möglichkeiten für die Zusammenschaltung von Wheatstonebrücken.

In der ersten Realisierungsmöglichkeit kann ein Widerstand selement in der Stauchzone und ein weiteres Widerstandsele ment in einer der Streckzone angeordnet sein. Hierdurch steht eine Halbbrücke mit einer entsprechenden Signal ausbeute zur Verfügung.

In der zweiten Realisierungsmöglichkeit können in der Streck zone zwei Widerstandselemente und rechts und links von der Streckzone neben der Zungenschnittlinie in einer Stauchzone ein Widerstandselement und in einer weiteren Stauchzone ein weiteres Widerstandselement angeordnet sein. Hierdurch läßt sich eine Wheatstonevollbrücke mit hoher und genauer Signal ausbeute realisieren.

In das Trägerelement kann entlang einer Hauptzungen- Schnittlinie bis zur Biegelinie ein Hauptzungenkörper und dem Hauptzungenkörper gegenüberliegend entlang einer Zusatz schnittlinie bis zur Biegelinie ein Zusatzzungenkörper einge schnitten werden. Hierdurch entsteht ein Zwei-Zungen- Biegebalken mit Ringträgerelement, das die Biege- und Stauch zonen mit den Brückenwiderständen ringförmig umschließt, was für die Montage des gesamten Sensorelements vorteilhaft sen kann, insbesondere dadurch, daß damit eine Dichtfläche zur Verfügung steht, die die Anwendung des Biegebalkens u. a. in Druckmeßeinrichtungen ermöglicht. Durch die Anordnung der zug- bzw. druckempfindlichen Widerstände in der Stauch- und den gegenüberliegenden Streckzonen läßt sich eine Wheatston brücke aufbauen, die genaueste Meßwerte ermittelt.

Die Spaltdicke der Hauptzungen-Schnittlinie und der Zusatz zungen-Schnittlinie können zwischen 0,001 bis 2 mm betragen. Als fertigungstechnisch realisierbare und günstige Spaltdicke hat sich 0,1 mm in der Dickschichttechnik erwiesen.

Für die Realisierung der Wheatstonbrücke mit Hilfe der Wider standselemente bieten sich als Fertigungstechniken an:

a) Dickfilm-Technik

Die Dickfilm-Technik ist eine Form der Schichttechnik, bei der die Schichtdicke um 30 µ liegt. Es werden entsprechende Substrate für die Ausbildung der Widerstandselemente und der Leiterbahnen zum Einsatz gebracht.

b) Dünnfilm-Technik

Bei der Dünnfilm-Technik betragen die Schichtdicken einen Größenbereich von 10 bis 500 nm zur Herstellung der Wider standselemente und Leiterbahnen. In der Dünnfilm-Technik werden Verfahren der Aufdampfungstechnik und der Ionen strahlzerstäubung angewandt. Mittels chemischer Behandlung ist es dann noch möglich, auf bereits aufgebrachten Schich ten durch chemische Reaktionen neue Schichten zu bilden.

c) Silizium-Technik

Hier werden die Widerstandselemente und Leiterbahnen in speziellen Oberflächenbehandlungsverfahren eingebracht. Von Vorteil ist es, daß hierbei Halbleiter-Bauelemente, zum Beispiel Transistoren, Dioden, und dergleichen zur Reali sierung integrierter Schaltkreise mit vorgesehen werden können. Im Ergebnis entsteht ein integrierter Schaltkreis, der entsprechend verbondet und gehäust werden kann.

Die Befestigung des Trägerkörperelements mit den Widerstand selementen bei Verwendung als Kraftstoffmeßeinrichtung kann u. a. in Kraftableitungspunkten des Trägerelements erfolgen.

Für die Kapselung der Trägerkörperelemente mit den Wider standselementen und den Zungenabschnitten, insbesondere bei der Verwendung des Biegebalkens in Druckmeßeinrichttungen be stehen zwei Möglichkeiten.

Die erste Möglichkeit besteht darin, daß auf der Auflage- und Dichtfläche des Trägerkörperelements ein erstes umlaufendes elastisches Dichtungselement und auf der der Auflage- und Dichtfläche gegenüberliegenden Fläche ein zweites elastisches Dichtungselement aufgelegt wird. Das Gehäuseelement ist in diesem. Fall als ein Gehäusekörper ausgebildet, der wenigstens teilweise durch ein erstes Basiskörperelement verschlossen werden kann, wobei das erste elastische Dichtungselement vom Gehäusekörper und das zweite elastische Dichtungselement vom Basiskörper an das Trägerkörperelement eingedrückt wird.

Die zweite Variante besteht darin, daß auf der Auflage- und Dichtfläche des Trägerkörperelements ein drittes umlaufendes elastisches Dichtungselement und auf der der Auflage- und Dichtfläche gegenüberliegenden Fläche ein umlaufendes Unter legringelement mit eingearbeiteter Aussparung als Anschlag und Überlastsicherung für das angeordnet sein kann. Das Meß gehäuseelement ist in diesem Fall das Deckelkörperelement ausgebildet, das gegenüber einem zweiten Basiskörperelement angeordnet sein kann, wobei das dritte Dichtungselement vom Deckelkörperelement und das Unterlegringelement vom zweiten Basiskörperelement angedrückt werden kann.

Ein Gelschichtkörper ist dabei vom ersten bzw. vom zweiten elastischen Dichtungselement umfaßt. Das erste, zweite und dritte elastische Dichtungselement ist jeweils als Ringdich tungselement mit einem im wesentlichen runden Querschnitt ausgebildet. Als Material für dieses Dichtungselement kommen Gummi, Silikon oder dergleichen zum Einsatz. Das Unterlegrin gelement kann, entsprechende Dimensionierung vorausgesetzt, Teil des Deckelkörperelements sein. Es muß nicht unbedingt in die Scheibe integriert werden. Bei Auftreten von Unterdruck kann sich eine Überlastsicherung auch im Deckelkörperelement befinden. Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen kann es sinnvoll sein, die Überlastsicherung einstellbar zu gestal ten.

Die Verbindung zwischen den einzelnen Teilen kann durch übli che Verbindungsverfahren, wie Schrauben, Bonden, Schweißen, Kleben oder dergleichen erfolgen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Biegebalkensensors in einer schematischen, perspektivischen Darstellung,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Biegebalkensensors in einer schematischen, perspektivischen Darstellung,

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines Biegebalkensensors in einer schematischen, perspektivischen Darstellung,

Fig. 4 eine aus den Widerstandselementen eines Biegebalken sensors gemäß den Fig. 1 bis 3 gebildete Wheatstone- Brücke,

Fig. 5 eine modifizierte Ausführungsform eines Biegebalken sensors gemäß Fig. 2 in einer schematisch dargestell ten Draufsicht,

Fig. 6 einen in einen Drucksensor eingesetzten Biegebalken sensor gemäß Fig. 5 in einer schematisch dargestell ten Draufsicht,

Fig. 7 einen Schnitt durch einen Drucksensor gemäß Fig. 6 entlang der Linie VII-VII in einer schematischen, perspektivischen Darstellung,

Fig. 8 einen weiteren Drucksensor mit einem eingespannten Biegebalkensensor gemäß Fig. 5 in einer schemati schen, perspektivischen Schnittdarstellung und

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Schnittdarstellung eines Drucksensors gemäß Fig. 8 in einer schematischen Dar stellung

In Fig. 1 ist ein Biegebalkensensor 10 dargestellt. Er be steht aus einem Keramikplattenkörper 4, in den eine U-förmige Hauptzungen-Schnittlinie 6 bis zu einer Biegelinie 3 einge schnitten ist. Die U-förmige Hauptzungen-Schnittlinie 6 schneidet einen Haupt zungenkörper 7 aus.

In der Biegelinie 3 sind in einer links und rechts der Hauptzungen-Schnittlinie liegenden Streckzone jeweils ein Wi derstandselement R1 und ein Widerstandselement R3 aufge bracht. In einer zwischen der Hauptzungen-Schnittlinie liegenden Streckzone sind nebeneinander ebenfalls in der Biege linie zwei Widerstandselemente R2 und R4 aufgebracht. Mit 5 sind Kraftableitungspunkte bezeichnet, in denen eine Kraft F, die auf den Hauptzungenkörper 7 wirkt, abgeleitet werden kann.

Der in Fig. 2 dargestellte Biegebalkensensor 10 unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 1 dadurch, daß der durch die Hauptzungen-Schnittlinie 6 ausgeschnittene Hauptzungenkörper 7 ein Zusatzzungenkörper 9 gegenüberliegt, der durch eine im wesentlichen U-förmige Zusatzzungen-Schnittlinie 8 aus dem Keramikplattenkörper 4 ausgeschnitten ist. Der Zusatzzungen körper 9 geht ebenfalls bis zur Biegelinie 3 und umfaßt die beiden Stauchzonen 1, in denen die Widerstandselemente, im folgenden Widerstände R1 und R3 aufgebracht sind. In der Streckzone sind die beiden Widerstände R2 und R3 aufgebracht. Die Hauptzungenschnittlinie 6 ist im Bereich der Biegelinie noch enger an die Streckzone 2 herangeführt.

Die Empfindlichkeit des Biegebalkensensors 10 gemäß Fig. 2 wird u. a. durch die Ein- und Ausschnitte im Bereich der Bie gelinie bestimmt. Aus diesem Grunde ist die Hauptzungen- Schnittlinie sehr weit in die Streckzone 2 hineingeführt.

Der Keramikplattenkörper 4 des Biegebalkensensors 10 gemäß Fig. 2 kann eine Dicke von 0,1 mm bis 2 mm, eine Länge zwi schen 5 mm und 50 mm und eine Breite von ebenfalls 5 mm bis 50 mm haben. Auch sind folgende Abmessungen möglich Dicke = 05 mm, Länge = 10 bis 20 mm, Breite = 10 bis 20 mm.

Mit 11 ist ein Randflächenelement dargestellt, das durch eine Auflage- und Dichtfläche 15 begrenzt ist.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform des Biegebalken sensors 10 gezeigt. Und zwar ist hier der Zusatzzungenkörper 9 durch zwei gegenüberliegende Zusatzausschnittausnehmungen 12 frei geschnitten. Dein nun frei liegenden Zusatzzungenkör per 9 liegt der in den Keramikplattenkörper 4 eingeschnittene Hauptzungenkörper 7 gegenüber. In der Biegelinie III sind in der Stauchzone 1 und in der Streckzone 2 die Widerstände R1 und R2, R3 und R4 aufgebracht.

Fig. 5 zeigt einen Biegebalkensensor 40. Hier ist in einen im wesentlichen quadratischen Keramikplattenkörper 34 entlang einer Hauptzungen-Schnittlinie 36 ein Hauptzungenkörper 37 und dem gegenüberliegend entlang einer Zusatzzungen- Schnittlinie 38 ein Zusatzzungenkörper 39 ausgeschnitten. Beide Zungenkörper 37, 39 weisen eine zungenähnliche Konfigu ration auf.

In einer mit 33 bezeichneten Biegelinie sind in der in der Mitte liegenden Streckzone 32 die Widerstände R2 und R4 und in den beiden außen liegenden Stauchzonen 31 jeweils der Wi derstand R1 und R3 aufgebracht. Die Widerstände R1, R2, R3, R4 sind durch Leiterbahnen 43 verbunden, von denen Anschluß leitungen 44 nach außen führen.

Die Widerstände R1, R2 und R3 sowie die Leiterbahnen 43 wer den auf dem Keramikplattenkörper 4, 34 in Dickschichttechnik aufgebracht.

Die zusammengeschalteten Widerstände R1, R2, R3, R4 ergeben die in Fig. 4 dargestellte Wheatstonebrücke 46. In einem Dia gonalzweig ist eine Spannungsqwelle UB gegenüber Masse M vor handen. Im anderen Brückenzweig wird ein Sensorsignal S abge griffen.

Der Hauptzungenkörper 1, 37 ergibt mit dem Zusatzzungenkörper 9, 39 einen sogenannten Biegebalken innerhalb eines zugehöri gen Trägerelements 4, 34, welcher so gestaltet ist, daß bei relativer Auslenkung des Hauptzungenkörpers gegenüber dem Trägerelement durch die ausgeübte Kraft F im Zusatzzungenkör per im Bereich Biegelinie 3, 33 u. a. auf der Oberfläche so wohl Druck- als auch Zugspannung erzeugt werden. Durch die Anordnung der zug- bzw. druckempfindlichen Widerstande R1, R2, R3, R4 im Bereich der Biegelinie 3, 33 und die Verschal tung zur Wheatstonebrücke 46 gemäß Fig. 4 erhält man den Bie gebalkensensor 10, 40, der gekennzeichnet ist durch

a) hohe Linearität des Sensorsignals S,
b) einen relativ einfachen Aufbau, da der Biegebalken im Kera mikplattenkörper integriert ist und nicht zusätzlich befe stigt werden muß, was in Abhängigkeit von der Verbindungs art zu Befestigungsproblemen sowie zu Nichtlinearitäten, zu unerwünschten Temperaturabhängigkeiten und Driften des Aus gangssignals führen kann,
c) einen geringen Offset, da sich die nötigen Widerstände R1, R2, R3 und R4 alle auf einer Seite des Keramikplattenkör pers 4, 34 befinden und bei entsprechender Gestaltung auch in geringem räumlichen Abstand zueinander angeordnet werden können, wodurch sich eine hohe Reproduzierbarkeit der Para meter bei einfacher kostengünstiger Technologie ergibt,
d) die Möglichkeit, elektrische und mechanische Parameter, insbesondere ein auftretendes Biegemoment in den Sensor stellen und die daraus resultierende Signalausbeute sowie mechanische Auslenkung des Hauptzungenkörpers auf einfache Weise durch Variation der Stegbreiten im Bereich der Biegelinie, auf denen sich die Widerstände R1, R2, R3, R4 befin den und durch die Form der Aussparungen, durch Material auswahl und Materialstärke den praktischen Erfordernissen anpassen zu können.

Durch eine entsprechende Gestaltung der Schnittlinien 6, 8 bzw. 36, 38 lassen sich Spannungsspitzen im Material des Ke ramikplattenkörpers 4, 34, die zu Rissen führen können, redu zieren.

Anstelle eines Keramikplattenkörpers 4, 34 können auch andere Trägermaterialien in Kombination mit geeigneten Widerstands materialien Verwendung finden, z. B. Metallplatten mit aufge brachten Dickschicht- und Dünnschicht-Widerständen oder Glas-, Keramik- und bei geringen Genauigkeitsanforderung auch Kunststoffplatten mit aufgebrachten Dehnmeßstreifen.

In den Fig. 6 bis 9 sind Aufbauten eines Drucksensors mit ei nem Biegebalkensensor insbesondere gemäß Fig. 5 gezeigt.

Der Biegebalkensensor 40 ist, wie auch der Biegebalkensenso ren gemäß Fig. 2, gegenüber den Biegebalkensensoren 10 aus den Fig. 1 und 3, durch einen Rand des Trägerelements 4, 34 ergänzt, das damit ringförmig das Hauptzungenelement 7, 37 und das Zusatzzungenelement 9, 39 mit den Widerständen R1, . . . in der Form umschließt, daß die Widerstände R1, R2, R3, R4 weitestgehend vom Trägerelement mechanisch entkoppelt sind, so daß dieses ringförmige Randflächenelement 11 voe teilhaft als Auflage- und Dichtfläche 45 verwendet wird.

Wie die Fig. 6 und 7 zeigen, wird entlang der Auflage- und Dichtfläche 45 der Biegebalkensensor 40 zwischen zwei elasti sche Dichtungselemente 53, 54 eingespannt. Bei den elastischen Dichtungselementen handelt es sich jeweils um Ringdich tungselemente.

Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, drückt auf das Ringdich tungselement 53 ein Gehäusekörper 50, der in einen Anschluß hohlkörper 51 übergeht. Auf der gegenüberliegenden Seite wird das Ringdichtungselement 54 durch ein Basiskörperelement 55 angedrückt, in das zum Druckausgleich eine Basisausnehmung 56 eingebracht ist. Das Basiskörperelement 55 ist als Leiter plattenelement ausgebildet.

Auf den Biegebalkensensor 40 wird im Bereich des Ringdich tungselements 53 ein Gelschichtkörper 52 zur Abdichtung der Schnittlinien 36 und 38 aufgebracht.

In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Aufbauvariante des Drucksensors unter Einsatz des Biegebalkensensors 40 darge stellt.

Hier wird der Biegebalkensensor 40 mit seiner Auflagefläche auf ein Unterlegringelement 64 gelegt. Das Unterlegringele ment kann vorteilhafterweise wegen der einfachen präzisen Herstellbarkeit und der hohen Steifigkeit aus Metall herge stellt sein. Das Unterlegringelement und der Biegebalkensen sor 40 befinden sich in einem Gehäuse aus Kunststoff, das aus einem Deckelkörperelement 60 besteht, an das sich ein An schlußhohlkörperelement 61 anschließt.

Auf der druckbeaufschlagten Seite des Biegebalkensensors 40 (vgl. Fig. 9) befindet sich ein elastisches Dichtungselement in Form eines Ringdichtungselements, welches durch das Dec kelkörperelement 60 vorgespannt wird, der in einem Deckelkör perwandelement 67 mit Schnappverbindungen 66 eingerastet wird. Diese Anordnung ergibt einen einfachen kostengünstigen Aufbau, der bezüglich der Beeinflussung des Sensorsignals durch äußere mechanische und thermische Einflüsse sehr robust ist. Ursache dafür ist die Vorspannung des Sensorelements zwischen Dichtring und steifer Unterlegscheibe im Bereich des ringförmigen, von den Widerständen R1, R2, R3, R4 mechanisch entkoppelten Trägerelements 34.

Auf den Biegebalkensensor 40 wird ein Gelschichtkörper 62 aufgebracht, der von dem Dichtungsringelement 63 umfaßt ist und die Schnittlinien 36 und 38 abdichtet.

Der Gelschichtkörper 62 besteht ebenso wie der Gelschichtkör per 52 aus einem dielektrischen Silicongel, z. B. der Marke Sylgard 527 A & B. Hierbei handelt es sich um eine flüssige Zweikomponenten-Siliconeinbettmasse geringer Viskosität, die an sich speziell konzipiert ist zum Schutz der elektrischen Eigenschaften elektronischer Schaltkreise. Erfindungswesent lich ist, daß das Silicongel als Membran in einen vollkommen neuen Anwendungszusammenhang gebracht wird.

Das transparente Produkt vernetzt am Einsatzort zu einer pol sternden und selbstheilenden sowie nachgiebigen gelartigen Masse, wenn die beiden Komponenten im Verhältnis 1 : 1 - nach Gewicht oder Volumen - gründlich vermischt werden.

Das vernetzte Gel behält die spannungsentlastenden und selbstheilenden Eigenschaften einer Flüssigkeit, verliert die Fließfähigkeit und entwickelt dabei die Dimensionsstabilität eines festen Elastomers. Die einzigartigen Eigenschaften bleiben bei extrem hohen und niedrigen Temperaturen erhalten und gehen auch dann nicht verloren, wenn das Material fortge setzt bei Ruhetemperatur eingesetzt wird.

Typische Eigenschaften des Silicongel Syslgard 527 A & B sind weiterhin folgende

- Farbe: klar/eingefärbt, z. B. rot
- spezifisches Gewicht bei +25°C: 0,97
- Viskosität bei +25°C, mPa.s²: 500
- nicht flüssiger Anteil, zwei Stunden bei 150°C in %: 98,0
- Penetration, nach Vernetzung, bei +25°C, × 10^-1 mm: 50
- Volumenausdehnungskoeffizient, 1/K: 9,9 × 10^-4
- Durchschlagsfestigkeit, nach Vernetzung bei +25°C, KV/mm: 17
- Dielektrizitätskonstante bei 100 Hz: 2,95 bei 100 kHz: 2,95
- Dielektrischer Verlustfaktor bei 100 Hz: 0,0025 bei 100 kHz; 0,00015
- Spezifischer Durchgangswiderstand, Ohm × cm: 2,33 × 10^-15
- Lichtbogenfestigkeit, s 182.

Mit dem Gelschichtkörper 52, 62 erhält man, in Verbindung mit den Zungenelementen 37, 39, eine geschlossene Fläche, die als Druckmembran fungiert. Resultat ist ein Druckmeßsensor, wel cher den Biegebalkensensor und die Druckmembran zu einem Bau teil vereinigt. Die Hauptzungen- und Zusatzzungen- Schnittlinien können zur Optimierung der Signalausbeute, zur Anpassung an vorhandene Einbauverhältnisse und zur Vermeidung von Spannungsspitzen variiert werden.

Zur Signalverarbeitung ist das Basiskörperelement als Leiter platte mit entsprechender Elektronik und den notwendigen Kon taktelementen an dem Gehäuse angeordnet.

Der beschriebene Drucksensor weist mit dem Biegebalkensensor folgende Vorteile auf:

A) Hohe Linearität des durch einen Biegebalken (gebildet durch den Hauptzungenkörper und den Zusatzzungenkörper) erzeugten Signals im Gegensatz zur prinzipiellen nichtli nearen Kennlinie einer üblichen Druckmeßzelle, bei der sich die Widerstandsmeßbrücke auf einer Druckmembran be findet.
B) Einsparung einer zusätzlich nötigen Druckmembran, wenn der Druck mittels Biegebalken gemessen werden soll, wie bei bekannten Lösungen realisiert. Daraus resultiert ein kom pakter und kostengünstiger Aufbau.
C) Die Eigenfrequenz ist wegen der geringen Balkenmasse höher als bei Lösungen mit Biegebalken und zusätzlicher Membran, was bei dynamischen Anwendungen vorteilhaft ist.
D) Kostengünstige Herstellung des Sensorelements durch die Möglichkeit, effektive Herstellungsverfahren wie Siebdruck auf Großkeramiken und preiswerte Keramikelemente der Mas senfertigung zu verwenden.

Hinsichtlich der Ausgestaltung des Biegebalkensensors und da mit auch des Drucksensors bestehen noch Folgevariationsmög lichkeiten.

Anstelle der in Fig. 4 gezeigten Vollbrücke lassen sich prin zipiell auch Halbbrücken realisieren.

Die vorteilhaft dünnen Haupt- und Zusatzzungenschnittlinien können bei entsprechender mechanischer Dimensionierung in Verbindung mit entsprechend mechanisch festeren Vergußmassen durch breitere Schlitze ersetzt werden.

Die U- und ringförmigen Trägerelemente 4, 34 können prinzipi ell an einer oder an mehreren Stellen unterbrochen sein.

Möglich ist auch der druckdichte Verschluß der Aussparungen mit einem entsprechend dimensionierten, flächig aufgebrachten Membrankörper. Diese Lösung hat gegenüber der Variante Biege balken mit separater Druckmembran immer noch die Vorteile, daß der Aufbau erheblich einfacher ist und die Membran durch Einsparung sonst nötiger Stützelemente leichter und die Ei genfrequenz des Systems dadurch höher ist.

Das Unterlegringelement 64 kann, entsprechende Dimensionie rung vorausgesetzt, Teil des Gehäuses sein. Die Überlastsi cherung kann ebenfalls Teil des Gehäuses sein und muß nicht unbedingt in die Scheibe integriert werden. Bei Auftreten von Unterdruck kann sich eine Überlastsicherung auch im Deckel körperelement 60 befinden. Zum Ausgleich von Fertigungstole ranzen kann die Überlastsicherung einstellbar sein, z. B. in Form einer Einstellschraube.

Bei Auftreten von höheren Drücken ist es sinnvoll, den Gehäu sekörper und den Deckelkörper aus Metall zu fertigen. Die Verbindung zwischen Gehäuse und Deckel kann durch alle übli chen Verbindungsverfahren wie Schrauben, Bördeln, Schweißen, Kleben und dergleichen erfolgen.

Zur Messung von Relativdrücken, die unabhängig vom Umgebungs druck sind, ist es möglich, auf beiden Seiten des Biegebal kensensors 10, 40 jeweils eine Druckkammer anzuordnen, d. h. das Basiskörperelement 55 wird wie der Gehäusekörper 50 druckdicht gestaltet und ebenfalls mit einem Anschlußhohlkör perelement versehen.

Claims

1. Kraftmeßvorrichtung, die wenigstens
ein Trägerkörperelement (4; 34) aufweist/auf das
eine Kraft (F) gerichtet ist und auf dem
Widerstandselemente (R1, R2, R3, R4) angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß in das Träger körperelement (4; 34) entlang einer Schnittlinie (6, 8; 36, 38) bis zu einer Biegelinie (3; 33) wenigstens ein Zungenabschnitt (7, 8; 37, 38) ange schnitten ist und
daß auf das Trägerkörperelement (4; 34) in der Biegeli nie (3; 33) und zu einer Seite der Schnittlinie (6, 8; 36, 38) wenigstens ein Widerstandselement (R1, R2, R3, R4) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in das Trägerkörperelement (4; 34) entlang einer Hauptzungen-Schnittlinie (6; 36) wenigstens teilweise bis zur Biegelinie (3; 33) ein Hauptzungenkörper (7; 37) und dem Hauptzungenkörper (7; 37) gegenüberliegend entlang einer Zusatzzungen-Schnittlinie bis wenigstens teilweise zur Biegelinie (3; 33) ein Zusatzzungenkörper (9; 39) eingeschnitten sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß in einer ersten Biegelinie (3; 33) in einer er sten Streckzone (2; 32) zwischen der Schnittlinie (6, 18, 36, 38) ein erstes und in einer daneben liegenden ersten Stauchzone ein zweites Widerstandselement (R1, R2, R3, R4) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß auf einer zweiten Biegelinie (3; 33) in einer zweiten Streckzone (2; 32) zwischen der Hauptzungen- Schnittlinie (6; 36) ein drittes und ein viertes Wider standselement (R2, R4), auf einer zweiten Stauchzone (1, 31) zwischen der Haupt- und der Zusatzzungen-Schnittlinie (6, 8; 36, 38) ein fünftes Widerstandselement (R1) und auf einer dritten Stauchzone (1; 31) zwischen der Haupt- und der Zusatzzungen-Schnittlinie ein sechstes Wider standselement (R3) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Haupt- und die Zusatzzungen- Schnittlinie eine Spaltdicke von 0,001 bis 2,0 mm aufwei sen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Wider standselemente (R1, R2, R3, R4) mit Leiterbahnen (43) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Widerstandselemente (R1, R2, R3, R4) durch die Leiterbahnen (43) zu einer Wheatstonebrücke (46) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Widerstandselemente (R1, R2, R3, R4) und die Leiterbahnen (43) im Dickschicht-Verfahren auf das Trägerkörperelement (4; 34) aufgebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Widerstandselemente (R1, R2, R3, R4) und die Leiterbahnen (43) im Dünnschicht-Verfahren auf das Trägerkörperelement (4; 34) aufgebracht sind.

10. Vorrichtung nach einem, der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Widerstandselemente (R1, R2, R3, R4) und die Leiterbahnen (43) als integrierter Schalt kreis hergestellt sind.

11. Verwendung einer Kraftmeßeinrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche 1 bis 10 für eine Druckmeßeinrich tung, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Trägerelement (4; 34) ein umlaufendes Dichtungselement (53, 54; 63, 64) und ein Gelschichtkörper (52; 62) aus einem Silicongel aufgebracht wird.