DE10134586A1

DE10134586A1 - Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung

Info

Publication number: DE10134586A1
Application number: DE10134586A
Authority: DE
Inventors: Markus Gilch; Leif Reinhold; Anton Grabmaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-17
Filing date: 2001-07-17
Publication date: 2003-02-06
Also published as: US6829945B2; US20030024322A1

Abstract

Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung eines Bauteils (1), die aus einem Sensorchip (4) und einem Trägersubstrat (3) besteht, welche durch eine Verbindungsschicht (5) so miteinander verbunden sind, dass sie ein vorgefertigtes Sensormodul (2) bilden. Das Sensormodul (2) wird durch eine dauerfeste kriechfreie Verbindung an dem Bauteil so befestigt, dass die Dehnungsbeanspruchung des Bauteils (1) auf den Sensorchip (4) übertragen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung eines Bauteils.
Es sind zahlreiche Verfahren zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung eines Bauteils, wie sie durch Zug-, Druck-, Biege- oder/und Torsionskräfte hervorgerufen werden, bekannt. So wird beispielsweise zur Kraft- und Dehnungsmessung an insbesondere axial beanspruchten Bauteilen wie Rohren und Stangen die Dehnung an der Außenwand mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) gemessen. Um eine ausreichende Signalstärke und -auflösung zu erzielen, wird üblicherweise der Wandquerschnitt des Bauteils im Messbereich so verringert, dass eine Dehnung von 0,05 bis 0,1% erzielt wird. Bekannt sind beispielsweise Metallfilm-Dehnungsmessstreifen auf Kunststofffolie, Dünnfilm- Dehnungsmessstreifen auf Stahl, Dickschicht- Dehnungsmessstreifen auf Stahl oder Keramik sowie magnetorestriktive Sensoren. Wenngleich alle diese Verfahren ihre Vorteile haben, leiden sie jedoch auch an einem oder mehreren Nachteilen: Nachteilig bei Metallfilm-Dehnungsmessstreifen auf Kunststofffolie sind ein Kriechen des Klebers, eine geringe Lastwechselzahl, ein hoher Stromverbrauch und eine schwierige Applikation. Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen auf Stahl haben den Nachteil hoher Fertigungskosten und einer aufwendigen Kontaktierung. Dickschicht-Dehnungsmessstreifen auf Stahl oder Keramik haben nur eine geringe Messgenauigkeit und eine kurze Lebensdauer und sind überdies nur für wenige Stähle geeignet. Bei magnetostriktiven Sensoreinrichtungen werden die Messgenauigkeit und Lebensdauer durch thermische Einflüsse sowie Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Grundkörpers beeinträchtigt.
Generell lässt sich sagen, dass die herkömmlichen Sensoreinrichtungen zum Erfassen von Dehnungen nicht die für viele Anwendungszwecke zuständigen Anforderungen an Messgenauigkeit, Lebensdauer, Temperaturunabhängigkeit und Fertigungs- und Montagekosten erfüllen.
Aus der DE 198 33 712 A1 ist eine Drucksensoreinrichtung mit einem Sensorchip bekannt, der auf einem monolithisch integrierten Aufbau beruht. Der Sensorchip enthält mehrere in einer Messbrücke zusammengeschaltete Sensorelemente und eine zur Signalauswertung erforderliche analoge oder digitale Schaltung. Das zu messende Bauteil ist als Membrankörper mit einer Metallmembran ausgebildet, die auf der einen Seite dem Druckmedium ausgesetzt ist und an deren anderer Seite der Sensorchip durch ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt, ein Klebemittel oder dergleichen befestigt wird. Die aus dem Druck des Druckmediums herrührende Dehnung der Metallmembran wird von dem Sensorchip erfasst, um hieraus ein elektrisches Signal für den zu messenden Druck zu erzeugen. Nachteilig ist, dass die Herstellung der Metallmembran an dem Messkörper einen entsprechenden Aufwand erfordert. Darüber hinaus ist das Anbringen des Silizium-Sensorchips an der Metallmembran mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Insbesondere mit Klebstoffen ist eine kriechfreie und langzeitstabile Montage des Sensorchips an der Metallmembran nicht möglich. Darüber hinaus erfordert das Kalibrieren des an der Metallmembran befestigten Sensorchips einen beträchtlichen Aufwand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung eines Bauteils zu schaffen, die trotz möglichst geringer Fertigungs- und Montagekosten eine hohe Messgenauigkeit über einen relativ großen Temperaturbereich sowie eine hohe Lebensdauer hat. Insbesondere soll sie sich für einen Einsatz im Kraftfahrzeugbereich eignen.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Sensoreinrichtung ist in dem Patentanspruch 1 definiert.

Hiernach besteht die erfindungsgemäß ausgebildete Sensoreinrichtung aus einem Sensorchip und einem Trägersubstrat, die durch eine Verbindungsschicht dauerfest und kriechfrei so miteinander verbunden sind, dass der Sensorchip, das Trägersubstrat und die Verbindungsschicht ein vorgefertigtes Sensormodul bilden. Das Sensormodul ist durch eine ebenfalls dauerfeste und kriechfeste Verbindung an dem zu messenden Bauteil so befestigbar, dass die Dehnungsbeanspruchung des Bauteils von dem Trägersubstrat auf den Sensorchip übertragen wird, der dann ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt.

Der Sensorchip hat zweckmäßigerweise eine sehr geringe Dicke von z. B. 20 bis 100 µm. Er wird durch ein Verbindungsverfahren wie z. B. Glas- oder AuSn-Löten an dem Trägersubstrat angebracht, das beispielsweise aus Stahl oder einer NiFeCo- Legierung besteht. Hierdurch entsteht ein Sensormodul in Form eines sehr stabilen Schichtaufbaus, der eine langzeitstabile, kriechfreie und hysteresearme Funktionseinheit bildet.

Diese Funktionseinheit ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit (von z. B. 0,25%) über einen relativ großen Temperaturbereich (von z. B. -40 bis +140°C), hat eine lange Lebensdauer, ist kostengünstig zu fertigen und in einfacher Weise an dem zu messenden Bauteil montierbar und lässt sich bereits vor der Befestigung an dem zu messenden Bauteil kalibrieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Sensormodul, das an einem zu messenden Bauteil befestigt ist;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Sensormodul in Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines Sensormoduls, das an einem anders gestalteten Bauteil befestigt ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Sensoreinrichtung dient zum Erfassen der Dehnung eines Bauteils 1, von dem lediglich ein Wandabschnitt dargestellt ist. Bei dem Bauteil 1 kann es sich beispielsweise um ein axial beanspruchtes Bauteil wie ein Rohr oder eine Stange handeln. Es sind jedoch auch andere Bauteile denkbar, bei denen die Dehnung durch Zug-, Druck-, Biege- oder Torsionskräfte hervorgerufen werden. In Fig. 1 ist der Kraftfluss, der eine Dehnung in dem Bauteil 1 hervorruft, durch einen Pfeil F angedeutet.
Die Sensoreinrichtung wird von einem als Funktionseinheit ausgebildeten Sensormodul 2 gebildet, das aus einem Trägersubstrat 3, einem Sensorchip 4 und einer Verbindungsschicht 5 besteht. Das Sensormodul 2 aus Trägersubstrat 3, Sensorchip 4 und Verbindungsschicht 5 hat einen sehr stabilen Schichtaufbau, wie im folgenden noch genauer erläutert wird.
Der Sensorchip 4 ist ein auf einem monolithisch integrierten Aufbau beruhender Silizium-Halbleiterchip mit mehreren zu einer Messbrücke zusammengeschalteten piezoresistiven Sensorelementen 6 (siehe Fig. 2) und einer zur Signalauswertung erforderlichen analogen oder digitalen Schaltung mit Anschlüssen 7. Der Sensorchip 4 ist in der Lage, eine Dehnungsbeanspruchung dadurch zu erfassen, dass er die Differenz zweier mechanischer Spannungen in ein elektrisches Ausgangssignal wandelt. Da der hierfür erforderliche grundsätzliche Aufbau des Sensorchips bekannt ist, wird er nicht weiter erläutert. Hervorzuheben ist jedoch, dass der Sensorchip 4 zweckmässigerweise eine sehr geringe Dicke hat, die in der Größenordnung von 20 bis 100 µm liegt.
Das Trägersubstrat 3 wie auch die Verbindungsschicht 5 bestehen aus einem Material, die ein Kraft-Dehnungs-Verhalten im Hookschen Bereich haben, um die Dehnungsbeanspruchung des Bauteils 1 auf den Sensorchip 4 übertragen zu können. Genauer gesagt, besteht das Trägersubstrat 3 aus einem Material, das einen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 4 bis 8 × 10^-6 pro °Kelvin hat. In Frage kommen beispielsweise Stähle mit Ausscheidungshärter sowie Nickel-Eisen-Kobalt- Legierungen (KOVAR). Es sind jedoch auch andere entsprechende Materialien denkbar.
Hat der Sensorchip 4 eine Dicke in der Größenordnung von 80 bis 100 µm, so sollte der Ausdehnungskoeffizient des Trägersubstrates 3 ähnlich dem von Silizium sein. Hat jedoch der Sensorchip 4 eine noch geringere Dicke, beispielsweise im Bereich von 20 bis 30 µm oder weniger, so ist eine entsprechende Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten des Trägersubstrates 3 an den des Silizium-Sensorchips 4 nicht erforderlich. Das Trägersubstrat 3 und der Sensorchip 4 können dann deutlich voneinander verschiedene Ausdehnungskoeffizienten haben.
Die den Sensorchip 4 mit dem Trägersubstrat 3 verbindende Verbindungsschicht 5 wird durch ein dauerfestes, kriechfreies Verbindungsverfahren der Elektronik- bzw. Halbleiterfertigung hergestellt. In Frage kommen beispielsweise Glas- oder AuSn- Löten oder auch ein eutektisches Legierverfahren mit einer AuSi-Legierung. Das Material der Verbindungsschicht 5 hat idealerweise einen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen denen des Trägersubstrates 3 und des Sensorchips 4 liegt.
Auf diese Weise erhält das Sensormodul 2 einen sehr stabilen Schichtaufbau, der eine langzeitstabile, kriechfreie und hysteresearme Funktionseinheit bildet. Das Trägersubstrat 3 kann hierbei einen rechteckigen Umriss haben, wie in Fig. 2 dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass das Trägersubstrat auch hiervor abweichende Umrisse wie z. B. runde oder ringförmige Umrisse haben kann.
Das vorgefertigte Sensormodul 2 wird an dem Bauteil 1 durch ein dauerfestes, kriechfreies Verbindungsverfahren so befestigt, dass die Dehnungsbeanspruchung des Bauteils 1 unmittelbar auf das Trägersubstrat 3 und von da über die Verbindungsschicht 5 auf den Sensorchip 4 übertragen wird. Ein bevorzugtes Verbindungsverfahren ist das Laserschweißen; es kommen jedoch auch ein Kondensatorentladungsschweißen wie auch andere Verbindungsverfahren in Frage. Entsprechende Schweißnähte 10 sind in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellt. Zusätzlich zu den Schweißnähten 10 können auch Schweißnähte 11 in Form von Kehlnähten vorgesehen werden, die die Form- und Langzeitstabiltät der Verbindung zwischen dem Sensormodul 2 und dem Bauteil 1 entsprechend erhöhen.
Das Trägersubstrat 3 wird an dem Bauteil 1 möglichst nah anliegend befestigt, jedoch zweckmäßigerweise so, dass es abgesehen von Bereichen, in denen es mit dem Bauteil 1 verschweißt ist, zu dem Bauteil 1 beabstandet ist. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann dies durch eine Ausnehmung 12 des Bauteils 1 und/oder durch eine ausgeknickte Form des Trägersubstrates 3 erreicht werden. Die in Fig. 1 dargestellte ausgeknickte Form des Trägersubstrates 3 hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Trägersubstrat 3 nicht aufgrund großer Temperaturunterschiede nach oben oder unten durchgebogen werden kann (Vermeidung undefinierten Ausknickens). Es versteht sich jedoch, dass das Trägersubstrat 3 auch eine ebene Form haben kann, wenn durch eine Ausnehmung 12 des Bauteils 1 eine entsprechende Beabstandung im Dehnbereich des Trägersubstrates 3 sichergestellt wird.
Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, werden grundsätzlich nur drei elektrische Zuleitungen 8, und zwar für Spannung, Masse und Signalinformation, benötigt. Die elektrischen Zuleitungen 8 können auf das Trägersubstrat 3 gelegt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies mittels einer flexiblen Leiterplatte 9, die z. B. auf das Trägersubstrat 3 aufgeklebt wird. Die Verbindung zwischen den elektrischen Zuleitungen 8 und den Anschlüssen 7 erfolgt zweckmäßigerweise durch Drahtbondungen. Abschließend wird der Sensorchip 4 und die Bondkontakte mit einer weichen Vergussmasse abgedeckt. Die Vergussmasse sollte weich sein, damit keine mechanischen Spannungen im Bereich der elektrischen Zuleitungen die Eigenschaften des Trägersubstrates 3 beeinflussen.
Das Sensormodul 2 kann grundsätzlich auf Zug, Druck, Biegung oder Torsion beansprucht werden. Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein als Rohrkörper ausgebildetes Bauteil 1 mit einer axialen Kraft beaufschlagt wird, wie durch die Pfeile F angedeutet ist. Ferner ist in Fig. 3 das Trägersubstrat 3 als ringförmige Scheibe ausgebildet, die in eine entsprechende Ringnut 13 des Bauteils 1 eingesetzt ist. An die Ringnut 13 schließt sich eine ringförmige Ausnehmung 12 des Bauteils 1 an, durch die die Beabstandung zwischen dem Trägersubstrat 3 und dem Bauteil 1 erzielt wird.
Es versteht sich, dass zahlreiche abgewandelte Ausführungsformen sowohl des Trägersubstrates 3 wie auch des zu messenden Bauteils 1 denkbar sind. Das Sensormodul 2 lässt sich jedenfalls an nahezu beliebig geformten Messflächen befestigen. Bei ungleichförmigem Kraftfluss auf dem zu messenden Bauteil 1 können auch mehrere Sensormodule vorgesehen werden, um ein gemitteltes Signal zu erhalten.
Das dargestellte Sensormodul 2 kann somit zum Messen einer Vielzahl mechanischer Beanspruchungen des Bauteiles wie z. B. Zug- und Druckkraft, Dehnung, Strömungsmitteldruck, Drehmoment usw. verwendet werden. Das Sensormodul 2 kann dann jeweils in einer eigenen Kalibriereinrichtung auf die zu messende Größe eingestellt werden. Die Kalibrierung kann entweder vor oder nach der Befestigung des Sensormoduls 2 am Bauteil 1 vorgenommen werden. Die Kalibrierung kann hierbei in der Weise erfolgen, dass das Ausgangssignal die nötige Verstärkung und Linearität auch über der Temperatur aufweist. Wird das Sensormodul 2 vor seiner Montage am Bauteil 1 kalibriert, kann dies in einer eigenen Kalibriereinrichtung ähnlich einer Zugprüfmaschine durchgeführt werden. Montagebedingte Verspannungen des Sensormoduls 2 können dann nach der Montage durch eine Nullpunkteinstellung des Sensorchips 4 mittels einer geeigneten Software in der nachgeschalteten Systemelektronik korrigiert werden. Bei einer Kalibrierung an dem bereits montierten Sensormodul 3 erfolgt die für die Kalibrierung erforderliche Kommunikation über die drei Anschlüsse 8 unmittelbar mit dem Sensorchip 4.

Claims

1. Sensoreinrichtung zum Erfassen einer Dehnungsbeanspruchung eines Bauteils (1), mit:
einem Sensorchip (4), der mehrere elektrisch verbundene Sensorelemente (7) und eine zur Signalauswertung erforderliche analoge oder digitale Schaltung aufweist,
einem Trägersubstrat (3) zur Aufnahme des Sensorschips (4) und
einer Verbindungsschicht (5), die zwischen dem Sensorschip (4) und dem Trägersubstrat (3) angeordnet ist und diese dauerfest und kriechfrei miteinander verbindet, um ein vorgefertigtes Sensorsmodul (2) zu bilden,
wobei das Trägersubstrat (3) an dem Bauteil (1) dauerfest und kriechfrei befestigbar ist, um die Dehnungsbeanspruchung des Bauteils (1) auf den Sensorchip (4) zu übertragen.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Sensorchips (4) zwischen 20 und 100 µm liegt.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Sensorchips (4) zwischen 80 und 100 µm liegt.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Sensorschips (4) zwischen 20 und 30 µm liegt.

5. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Trägersubstrats (3) einen Ausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Silizium hat.

6. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) aus Stahl oder Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung besteht.

7. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (5) einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der zwischen dem von Silizium und dem des Trägersubstrates (3) liegt.

8. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (5) durch Glas- oder Gold-Zinn-Löten oder ein eutektisches Legierungsverfahren hergestellt ist.

9. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) einen rechteckigen, runden oder ringförmigen Umriss hat.

10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) eine ebene Form hat.

11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) eine ausgeknickte Form hat.

12. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (2) durch Laser- oder Kondensatorentladungs-Schweißen an dem Bauteil (1) befestigbar ist.

13. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) an dem Bauteil (1) so befestigbar ist, dass es auf Zug, Druck, Biegung oder Torsion beansprucht wird.

14. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) an dem Bauteil (1) so befestigbar ist, dass das Trägersubstrat (3) abgesehen von Bereichen, in denen es an dem Bauteil (1) befestigt ist, zu der Oberfläche des Bauteils (1) beabstandet ist.

15. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (2) vor oder nach der Befestigung am Bauteil (1) kalibrierbar ist.

16. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (3) elektrische Zuleitungen (8) des Sensorchips (4) trägt.

17. Sensoreinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Zuleitungen (8) in Form einer elektrischen Leiterbahn (9) vorgesehen sind, die durch Anschlüsse (7) in Form von Bondkontakten mit dem Sensorchip (4) verbunden sind.

18. Sensoreinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (4) und die Anschlüsse (7) durch eine weiche Vergussmasse abgedeckt sind.