DE102010024808A1

DE102010024808A1 - Piezoresistive force sensor

Info

Publication number: DE102010024808A1
Application number: DE102010024808A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Wagner Hannes
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29
Also published as: EP2585802A1; WO2011160794A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor mit einem Substrat, wenigstens einer auf der Oberfläche des Substrats mit Kohlenwasserstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht, wenigstens einer auf die piezoresistive Sensorschicht aufgebrachten ersten Elektrode und wenigstens einer die piezoresistive Sensorschicht und die erste Elektrode abdeckenden Isolations- und Verschleißschutzschicht. Der Kraftsensor ist als separates Bauteil hergestellt, das nach seiner Herstellung in ein anderes Bauelement einsetzbar oder damit verbindbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem vorteilhafte Verwendungen des Kraftsensors sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftsensors.The invention relates to a piezoresistive force sensor with a substrate, at least one piezoresistive sensor layer formed on the surface of the substrate with hydrocarbon, at least one first electrode applied to the piezoresistive sensor layer and at least one insulation and wear protection layer covering the piezoresistive sensor layer and the first electrode. The force sensor is manufactured as a separate component that can be used in another component or connected to it after its manufacture. The invention also relates to advantageous uses of the force sensor and a method for providing a force sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem vorteilhafte Verwendungen des Kraftsensors gemäß den Ansprüchen 8 und 9 sowie ein Verfahren zur Bereitstellung eines Kraftsensors gemäß dem Anspruch 10.The invention relates to a piezoresistive force sensor according to the preamble of claim 1. The invention also relates to advantageous uses of the force sensor according to claims 8 and 9 and a method for providing a force sensor according to claim 10.

Piezoresistive Kraftsensoren können zur Messung von mechanischen Kräften, Drücken oder Momenten verwendet werden. In der DE 102 43 095 B4 wird beispielsweise vorgeschlagen, ein Wälzlager mit derartigen Kraftsensoren zu versehen, um eine integrierte Zustandsmessung des Wälzlagers zu realisieren. Die Kraftsensoren werden dabei durch direkte Beschichtung eines Teils des Wälzlagers in das Wälzlager integriert. Eine solche Direktbeschichtung von komplexen Bauteilen erfordert eine spezielle Herstell- und Prozesstechnik in der Bauteilherstellung, die aufwendiger ist als die gängige, bereits bestehende Herstell- und Prozesstechnik für das komplexe Bauteil ohne Kraftsensoren. Hierdurch wird eine praktische Realisierung der vorgeschlagenen Kraftsensoren erschwert.Piezoresistive force sensors can be used to measure mechanical forces, pressures or moments. In the DE 102 43 095 B4 For example, it is proposed to provide a rolling bearing with such force sensors in order to realize an integrated state measurement of the rolling bearing. The force sensors are integrated by direct coating of a part of the rolling bearing in the rolling bearing. Such a direct coating of complex components requires a special manufacturing and process technology in component manufacturing, which is more expensive than the current, existing manufacturing and processing technology for the complex component without force sensors. As a result, a practical realization of the proposed force sensors is made more difficult.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen der praktische Einsatz von piezoresistiven Kraftsensoren in Lagern und anderen Bauelementen erleichtert wird.The invention is therefore based on the object of specifying ways in which the practical use of piezoresistive force sensors in bearings and other components is facilitated.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 8, 9 und 10 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an. This object is achieved by the invention specified in claims 1, 8, 9 and 10. The subclaims indicate advantageous embodiments of the invention.

Gemäß Anspruch 1 wird ein Kraftsensor vorgeschlagen, der als separates Bauteil hergestellt ist, das nach seiner Herstellung in ein anderes Bauelement einsetzbar oder damit verbindbar ist. Hierbei wird für die Aufbringung der piezoresistiven Sensorschicht ein Substrat verwendet, das nicht, wie im Stand der Technik, Bestandteil eines anderen, vom Kraftsensor zu vermessenden Bauteils ist, sondern ein zusätzliches Element, z. B. ein Sensorplättchen. Für den Aufbau des Kraftsensors wird das im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebene Dreischichtsystem verwendet. Hierdurch kann der Kraftsensor als äußerst flaches und kleinbauendes, kompaktes Bauteil realisiert werden, das beispielsweise in Kugellager oder andere Einrichtungen problemlos eingebaut werden kann. Der Kraftsensor kann z. B. mit einer Dicke von nur 1 mm realisiert werden.According to claim 1, a force sensor is proposed, which is produced as a separate component, which can be used after its production in another component or connectable thereto. Here, a substrate is used for the application of the piezoresistive sensor layer, which is not, as in the prior art, part of another, to be measured by the force sensor component, but an additional element, for. B. a sensor plate. For the construction of the force sensor indicated in the preamble of claim 1 three-layer system is used. As a result, the force sensor can be realized as an extremely flat and small-sized, compact component that can be easily installed, for example, in ball bearings or other facilities. The force sensor can, for. B. be realized with a thickness of only 1 mm.

Zugleich erlaubt die Erfindung, dass der Kraftsensor nach seiner Herstellung als separates elektrisches Bauteil verwendbar und handelbar ist. Dies ermöglicht es beispielsweise einem Hersteller von Wälzlagern, die separat von einem auf die Sensorfertigung spezialisierten Unternehmen hergestellten separaten Kraftsensor-Bauteile einzukaufen, in Wälzlager zu integrieren und entsprechende mit integrierten Kraftsensoren versehene Wälzlager anzubieten. Hierdurch muss der Hersteller der Wälzlager seine eigenen Herstellschritte nicht speziell auf die Herstellung von piezoresistiven Kraftsensoren anpassen.At the same time, the invention allows the force sensor to be usable and traded as a separate electrical component after its manufacture. This makes it possible, for example, to buy a rolling element bearing manufacturer, to integrate it separately into roller bearings, and to provide corresponding rolling element bearings provided with integrated force sensors, separately from a sensor manufacturing specialist company. As a result, the manufacturer of rolling bearings does not have to specifically adapt his own manufacturing steps to the production of piezoresistive force sensors.

Wie erkennbar ist, ergibt sich hieraus allgemein der Vorteil, dass die erfindungsgemäßen piezoresistiven Kraftsensoren als separate Bauteile universell in verschiedensten Bereichen einsetzbar sind, so dass hierdurch deren Verbreitung in praktischen Anwendungen gefördert wird. Dies ermöglicht wiederum eine kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoren im großen industriellen Umfang.As can be seen, this results in general the advantage that the piezoresistive force sensors according to the invention can be used as separate components universally in a variety of areas, so that their dissemination is promoted in practical applications. This in turn allows a cost-effective production of the force sensors according to the invention on a large industrial scale.

Gegenüber der direkten Aufbringung der Kraftsensoren auf Elementen eines Lagers oder anderen Bauteilen ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass der Aufwand für eine Vorbereitung der Oberflächen der Bauteile zur Aufbringung der piezoresistiven Sensorschicht verringert wird, da nicht mehr großflächig die Oberfläche vorbereitet werden muss, sondern nur spezifisch auf dem separaten Substrat des Kraftsensors. Insgesamt müssen hierdurch nur noch erheblich kleinere Oberflächen bearbeitet werden. Da die Vorbereitung unter anderem ein Polieren auf eine Rauheit R_z = 0,1 erfordert, kann durch die Erfindung ein erhebliche Reduktion der Fertigungskosten der Kraftsensoren erzielt werden.Compared to the direct application of the force sensors on elements of a bearing or other components results in the additional advantage that the cost of preparation of the surfaces of the components for application of the piezoresistive sensor layer is reduced because no longer the surface must be prepared over a large area, but only specifically on the separate substrate of the force sensor. Overall, this only requires much smaller surfaces to be processed. Among other things, since the preparation requires polishing to a roughness R _z = 0.1, a considerable reduction in the manufacturing costs of the force sensors can be achieved by the invention.

Eine weitere Verringerung der Kosten und der Entwicklungszeit neuer Bauteile wird durch die Erfindung dadurch ermöglicht, dass die Kraftsensoren als fertige Bauteile lediglich in ein gewünschtes Bauelement integriert werden müssen. Bisher war es erforderlich, die piezoresistive Sensorschicht an die jeweilige Lagerbaugröße anzupassen und entsprechend zu optimieren. Dieser Aufwand kann mit der Erfindung entfallen. Der erfindungsgemäße Kraftsensor kann unabhängig von der Baugröße des Lagers eingesetzt werden.A further reduction in the cost and development time of new components is made possible by the invention in that the force sensors must be integrated as finished components only in a desired device. Previously, it was necessary to adapt the piezoresistive sensor layer to the respective bearing size and to optimize accordingly. This effort can be eliminated with the invention. The force sensor according to the invention can be used independently of the size of the bearing.

Zudem kann mit der Erfindung die Ausfallsicherheit und Wartbarkeit von mit einem oder mehreren Kraftsensoren bestückten Bauelementen verbessert werden. Bei einer direkten Beschichtung eines Teils des Bauelements mit der piezoresistiven Sensorschicht ist eine voll funktionstüchtige Beschichtung mit einer für die Lagerüberwachung notwendigen Zahl an Sensorpaaren erforderlich. Der Ausfall eines einzigen Sensors würde dazu führen, dass das gesamte beschichtete Teil ersetzt werden muss. Die Erfindung erlaubt es, durch die mögliche Austauschbarkeit eines einzelnen Kraftsensors als einzelnes Bauteil dieses separat zu ersetzen. Auch hierdurch ist eine Kostenreduzierung möglich.In addition, with the invention, the reliability and maintainability of equipped with one or more force sensors components can be improved. In the case of a direct coating of a part of the component with the piezoresistive sensor layer, a fully functional coating with a number of sensor pairs necessary for bearing monitoring is required. The failure of a single sensor would result in the entire coated part having to be replaced. The invention makes it possible to replace this separately by the possible interchangeability of a single force sensor as a single component. This also makes a cost reduction possible.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor ein erstes von außen kontaktierbares elektrisches Anschlusselement, das direkt oder indirekt mit dem Substrat verbunden ist, und wenigstens ein zweites von außen kontaktierbares elektrisches Anschlusselement, das direkt oder indirekt mit der wenigstens einen Elektrode verbunden ist, zur elektrischen Kontaktierung des Kraftsensors auf. Hierdurch können vorteilhaft elektrische Außenanschlüsse des Kraftsensors realisiert werden. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has a first externally contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the substrate, and at least one second externally contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the at least one electrode electrical contacting of the force sensor. As a result, advantageous electrical external connections of the force sensor can be realized.

Der Kraftsensor kann beispielsweise formschlüssig in einer entsprechend geformten Vertiefung des Bauelements, in das er eingesetzt werden soll, angeordnet werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor wenigstens Befestigungselement auf, mittels dem der Kraftsensor an einem anderen Bauelement montierbar ist. Beispielsweise kann als Befestigungselement eine Gewindebefestigung oder entsprechende Bohrungen in einem Gehäuse des Kraftsensors vorgesehen sein, über die der Kraftsensor an ein Bauelement mit einer definierten Position angeschraubt werden kann. Das Befestigungselement kann auch als Befestigungsflansch ausgebildet sein. Vorteilhaft können die Befestigungselemente auch in Form von Bohrungen, die zur Aufnahme von Passstiften zur Positionierung vorgesehen sind, ausgestaltet sein.The force sensor can be arranged, for example, in a form-fitting manner in a correspondingly shaped depression of the component into which it is to be inserted. According to an advantageous development of the invention, the force sensor has at least fastening element by means of which the force sensor can be mounted on another component. For example, can be provided as a fastener threaded attachment or corresponding holes in a housing of the force sensor, via which the force sensor can be screwed to a component with a defined position. The fastening element can also be designed as a fastening flange. Advantageously, the fastening elements can also be designed in the form of bores which are provided for the purpose of receiving locating pins for positioning.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor wenigstens ein Gehäuse auf. Wenigstens ein Teil des Gehäuses bildet das Substrat, oder das Substrat ist an dem Gehäuse befestigt. Hierbei weist das Gehäuse wenigstens ein Befestigungselement auf, mittels dem der Kraftsensor an einem anderen Bauelement montierbar ist. Durch das Gehäuse kann ein verbesserter Schutz des inneren Aufbaus des Kraftsensors gegen Umgebungseinflüsse realisiert werden. Zudem werden die Möglichkeiten zur Anordnung eines Befestigungselements vielfältiger gestaltet.According to an advantageous development of the invention, the force sensor has at least one housing. At least a portion of the housing forms the substrate or the substrate is secured to the housing. In this case, the housing has at least one fastening element, by means of which the force sensor can be mounted on another component. Through the housing, an improved protection of the internal structure of the force sensor against environmental influences can be realized. In addition, the possibilities for arranging a fastener are made more diverse.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor eine in den Kraftsensor integrierte Auswerteschaltung auf. Die Auswerteschaltung kann insbesondere eine Messbrücke und/oder einen Signalverstärker aufweisen. Die Auswerteschaltung kann in integrierter oder diskreter Schaltungstechnik ausgeführt sein. Die in dem Kraftsensor integrierte Auswerteschaltung hat den Vorteil, dass eine definierte Außenschnittstelle mit einfach auswertbaren Signalen des Kraftsensors geschaffen wird. Insbesondere kann hiermit eine Signal- und Pegelanpassung der Ausgangssignale an gängige Signal- und Schnittstellenstandards realisiert werden, wie z. B. eine 5 V-Analogschnittstelle oder eine serielle Datenschnittstelle. Zudem wird hierdurch eine störungsfreie Signalfernübertragung ermöglicht. Hierdurch eignen sich die erfindungsgemäßen Kraftsensoren insbesondere auch für den Einsatz in Umgebungen mit hoher elektromagnetischer Einstrahlung, d. h. für ein raues EMV-Umfeld.According to an advantageous development of the invention, the force sensor has an evaluation circuit integrated in the force sensor. The evaluation circuit may in particular have a measuring bridge and / or a signal amplifier. The evaluation circuit can be implemented in integrated or discrete circuit technology. The evaluation circuit integrated in the force sensor has the advantage that a defined external interface is created with signals of the force sensor which can be easily evaluated. In particular, hereby a signal and level adjustment of the output signals to common signal and interface standards can be realized, such. B. a 5 V analog interface or a serial data interface. In addition, this allows a trouble-free remote signal transmission. As a result, the force sensors according to the invention are particularly suitable for use in environments with high electromagnetic radiation, d. H. for a harsh EMC environment.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteschaltung einerseits mit dem Substrat und der ersten Elektrode und andererseits mit dem ersten und dem zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement verbunden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteschaltung in dem Gehäuse des Kraftsensors angeordnet.According to an advantageous embodiment of the invention, the evaluation circuit is connected on the one hand to the substrate and the first electrode and on the other hand to the first and the second contactable from the outside electrical connection element. According to an advantageous development of the invention, the evaluation circuit is arranged in the housing of the force sensor.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor wenigstens eine zweite Elektrode auf der piezoresistiven Sensorschicht oder einer weiteren auf der Oberfläche des Substrats aufgebrachten, mit Kohlenwasserstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht auf. Die zweite Elektrode ist mit der Isolations- und Verschleißschutzschicht oder einer weiteren Isolations- und Verschleißschutzschicht abgedeckt. Die zweite Elektrode bildet mit dem Substrat einen Temperatursensor. Hierdurch wird der Kraftsensor um einen Temperatursensor erweitert und kann als kombinierter Kraft-/Temperatursensor eingesetzt werden. Vorteilhaft ist die zweite Elektrode neben der ersten Elektrode angeordnet.According to an advantageous development of the invention, the force sensor has at least one second electrode on the piezoresistive sensor layer or another, applied to the surface of the substrate, formed with hydrocarbon piezoresistive sensor layer. The second electrode is covered with the insulation and wear protection layer or another insulation and wear protection layer. The second electrode forms a temperature sensor with the substrate. As a result, the force sensor is extended by a temperature sensor and can be used as a combined force / temperature sensor. Advantageously, the second electrode is arranged next to the first electrode.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Elektrode derart angeordnet, dass der mit der zweiten Elektrode beschichtete Bereich der piezoresistiven Sensorschicht bei Montage des Kraftsensors an einem anderen Bauelement zur Kraftmessung außerhalb des Kraftflusses der zu messenden Kraft ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der mit der ersten Elektrode beschichtete Bereich der piezoresistiven Sensorschicht innerhalb des Kraftflusses der zu messenden Kraft liegt.According to an advantageous development of the invention, the second electrode is arranged in such a way that the area of the piezoresistive sensor layer coated with the second electrode is outside the force flux of the force to be measured when the force sensor is mounted on another component for force measurement. In this case, it is assumed that the region of the piezoresistive sensor layer coated with the first electrode lies within the force flow of the force to be measured.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Elektrode als Temperaturkompensationselement mit der ersten Elektrode verschaltet. Hierdurch kann der Kraftsensor durch eine integrierte Temperaturkompensation ergänzt werden. Dies erlaubt die Herstellung von Kraftsensoren mit weitgehend temperaturneutralem Ausgangssignal. Vorteilhaft sind die mit der ersten und der zweiten Elektrode beschichteten Bereich relativ dicht beieinander angeordnet, so dass von im Wesentlichen gleichen Temperaturverhältnissen in beiden Bereichen ausgegangen werden kann.According to an advantageous development of the invention, the second electrode is connected as a temperature compensation element with the first electrode. As a result, the force sensor can be supplemented by an integrated temperature compensation. This allows the production of force sensors with largely temperature-neutral output signal. Advantageously, the areas coated with the first and the second electrode are arranged relatively close to one another, so that it can be assumed that substantially identical temperature conditions are used in both areas.

Die Verschaltung des Kraftsensors mit dem Temperatursensor kann anwendungsabhängig erfolgen. Sofern eine Kraftmessung bei im Wesentlichen gleich bleibenden Temperaturen durchgeführt wird oder falls der Temperatureinfluss auf die Messgenauigkeit unwesentlich ist, kann das Signal des Kraftsensors direkt verwendet werden. Ebenso kann der Temperatursensor separat zur Sensierung der Temperatur verwendet werden. Für eine hochgenaue Kraftmessung kann vorteilhaft der Temperatursensor mit dem Kraftsensor zu einer Brücke verschaltet werden. Vorteilhaft ist die Anordnung der Sensoren in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung.The connection of the force sensor with the temperature sensor can be done depending on the application. If a force measurement is carried out at essentially constant temperatures or if the influence of temperature on the measurement accuracy is insignificant, the signal of the force sensor can be used directly. Similarly, the temperature sensor separately for sensing the Temperature can be used. For a high-precision force measurement can advantageously be connected to the force sensor with the force sensor to a bridge. The arrangement of the sensors in a Wheatstone bridge circuit is advantageous.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Kraftsensor mit einem dritten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement, das direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode zur elektrischen Kontaktierung verbunden ist, versehen. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines Temperatursignals an dem von außen zugänglichen dritten Anschlusselement. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Kraftsensor zugleich zur Temperaturerfassung verwendet werden.According to an advantageous development of the invention, the force sensor is provided with a third contactable electrical connection element which is directly or indirectly connected to the second electrode for electrical contacting. This makes it possible to provide a temperature signal at the externally accessible third connection element. As a result, the force sensor according to the invention can be used at the same time for temperature detection.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor eine in dem Kraftsensor integrierte Auswerteschaltung auf, insbesondere eine Messbrücke und/oder einen Signalverstärker. Die Auswerteschaltung ist vorteilhaft einerseits mit dem Substrat, der ersten und der zweiten Elektrode und andererseits mit dem ersten und dem zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselement verbunden.According to an advantageous development of the invention, the force sensor has an evaluation circuit integrated in the force sensor, in particular a measuring bridge and / or a signal amplifier. The evaluation circuit is advantageously connected on the one hand to the substrate, the first and the second electrode and on the other hand to the first and the second contactable from the outside electrical connection element.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine dritte Elektrode, die mit dem Substrat einen Kraftsensor bildet, und eine vierte Elektrode, mit dem Substrat einen Temperatursensor bildet, vorgesehen. Hierbei sind die erste, die zweite, die dritte und die vierte Elektrode miteinander zu einer Vollbrückenschaltung verbunden. Hiermit wird eine Sensorverschaltung vorgeschlagen, bei der zwei Kraftsensoren mittels der ersten und der dritten Elektrode und zwei Temperatursensoren mittels der zweiten und der vierten Elektrode zur Verfügung stehen und miteinander zu einer Vollbrückenschaltung verbunden sind. Dies ermöglicht eine Verdoppelung der Empfindlichkeit der Sensorik. Vorteilhaft werden die Kraftsensoren und die Temperatursensoren dabei unmittelbar nebeneinander angeordnet. Hierdurch verdoppelt sich die Empfindlichkeit der Schaltung.According to an advantageous development of the invention, a third electrode, which forms a force sensor with the substrate, and a fourth electrode, with which the substrate forms a temperature sensor, are provided. Here, the first, the second, the third and the fourth electrode are connected to each other to a full bridge circuit. Hereby, a sensor interconnection is proposed in which two force sensors are available by means of the first and the third electrode and two temperature sensors by means of the second and the fourth electrode and are connected to one another to form a full bridge circuit. This allows a doubling of the sensitivity of the sensor. Advantageously, the force sensors and the temperature sensors are arranged directly next to each other. This doubles the sensitivity of the circuit.

Der erfindungsgemäße Kraftsensor kann grundsätzlich für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Verwendung in oder an drehenden Bauteilen, wie z. B. Lagern, wo ein oder mehrere Kraftsensoren zur Drehmomentmessung, zur Drehzahlmessung und/oder zur Erkennung von Drehunregelmäßigkeiten des drehenden Bauteils verwendet werden können. So treten bei drehenden Bauteilen auch bei guter Auswuchtung immer gewissen minimale Unwuchten auf, die bei entsprechender Anordnung eines Kraftsensors ausgewertet werden können und zur Drehzahlbestimmung verwendet werden können. Ebenso können Drehunregelmäßigkeiten, wie z. B. Lagerschäden oder starke Unwucht, hiermit erkannt werden.The force sensor according to the invention can basically be used for a wide variety of applications. Advantageously, for example, a use in or on rotating components, such. B. bearings, where one or more force sensors for torque measurement, speed measurement and / or detection of rotational irregularities of the rotating component can be used. Thus, with rotating components, even with good balancing, certain minimum imbalances always occur, which can be evaluated with the appropriate arrangement of a force sensor and can be used to determine the speed. Likewise, rotational irregularities such. B. Bearing damage or severe imbalance, are hereby recognized.

Eine weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit des Kraftsensors besteht in einer Lastmessung und/oder ein Lastbegrenzung bei einem lastübertragenden Bauteil. So kann z. B. eine Lastmessung vorteilhaft mit einer elektronisch gesteuerten Lastbegrenzung verbunden werden, indem über eine Steuereinrichtung die gemessene Last erfasst und ausgewertet wird und bei Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwertes die übertragene Last durch die Steuereinrichtung heruntergeregelt wird.Another advantageous application possibility of the force sensor is a load measurement and / or load limiting in a load-transmitting component. So z. B. a load measurement are advantageously connected to an electronically controlled load limitation by the measured load is detected and evaluated by a control device and upon reaching or exceeding a limit, the transmitted load is controlled down by the control device.

Die Erfindung betrifft außerdem ein vorteilhaftes Verfahren zur Bereitstellung eines piezoresistiven Kraftsensors mit den Schritten:

a) Bilden einer piezoresistiven Sensorschicht durch Aufbringen von Kohlenwasserstoff auf die Oberfläche eines Substrats,
b) Aufbringen wenigstens einer ersten Elektrode auf die piezoresistive Sensorschicht,
c) Aufbringen wenigstens einer die piezoresistive Sensorschicht und die erste Elektrode abdeckenden Isolations- und Verschleißschutzschicht,
d) Vorsehen eines ersten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselements, das direkt oder indirekt mit dem Substrat verbunden ist, und wenigstens eines zweiten von außen kontaktierbaren elektrischen Anschlusselements, das direkt oder indirekt mit der wenigstens einen ersten Elektrode verbunden ist, zur elektrischen Kontaktierung des Kraftsensors,
e) Separieren des Kraftsensors als separates Bauteil.

The invention also relates to an advantageous method for providing a piezoresistive force sensor with the steps:

a) forming a piezoresistive sensor layer by applying hydrocarbon to the surface of a substrate,
b) applying at least one first electrode to the piezoresistive sensor layer,
c) applying at least one insulation and wear protection layer covering the piezoresistive sensor layer and the first electrode,
d) providing a first externally contactable electrical connection element, which is directly or indirectly connected to the substrate, and at least one second externally contactable electrical connection element, which is directly or indirectly connected to the at least one first electrode, for electrical contacting of the force sensor,
e) Separating the force sensor as a separate component.

Das so hergestellte Kraftsensorbauteil kann z. B. einzeln oder in Sammelverpackungen verpackt werden und über den Elektroteilehandel vertrieben werden.The force sensor component produced in this way can, for. B. individually or packed in bulk packaging and sold through the electrical parts trade.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die piezoresistive Sensorschicht eine dotierte oder undotierte Kohlenwasserstoffschicht auf. Als Dotierungsmaterialien können Metalle wie Wolfram, Chrom oder Silber verwendet werden. Es können auch reine Kohlenstoffschichten Anwendung finden.According to an advantageous development of the invention, the piezoresistive sensor layer has a doped or undoped hydrocarbon layer. As doping materials, metals such as tungsten, chromium or silver can be used. It is also possible to use pure carbon layers.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste, die zweite, die dritte und/oder die vierte Elektrode mit einer dünnen Metallschicht gebildet, z. B. aus Chrom.According to an advantageous embodiment of the invention, the first, the second, the third and / or the fourth electrode is formed with a thin metal layer, for. B. chrome.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Isolations- und Verschleißschutzschicht aus einer siliziumdotierten Kohlenwasserstoffschicht gebildet.According to an advantageous development of the invention, the insulation and wear protection layer is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail by means of embodiments using drawings.

Es zeigenShow it

1 und 2 einen Kraftsensor in zwei Ansichten und 1 and 2 a force sensor in two views and

3a und 3b – eine Messschaltung und 3a and 3b A measuring circuit and

4 – ein Dreischichtsystem und 4 - a three-layer system and

5 – eine Klauenkupplung und 5 - a dog clutch and

6 – ein Kugellager. 6 - a ball bearing.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.In the figures, like reference numerals are used for corresponding elements.

Die 1 zeigt einen als separates Bauteil ausgeführten Kraftsensor 1 von der Rückseite eines Gehäuses 2 des Kraftsensors 1. Erkennbar ist ein längliches Gehäuse 2 mit einer Gehäusekammer 3, in der elektronische Bauelemente einer Auswerteschaltung 19 angeordnet sind. Die Auswerteschaltung 19 dient als Auswerteschaltung für die Signale des Kraftsensors 1. Die in der 1 offen dargestellte Kammer 3 wird im Rahmen der Herstellung des Kraftsensors 1 als Schutz gegen Umwelteinflüsse verschlossen, z. B. durch Aufsetzen eines Deckels oder durch Vergießen des Hohlraums 3 mit einer Vergussmasse. Das Gehäuse 2 ist vorteilhaft aus einem korrosionsbeständigen und hochfestem Material, beispielsweise Stahl, gefertigt.The 1 shows a designed as a separate component force sensor 1 from the back of a case 2 of the force sensor 1 , Recognizable is an elongated housing 2 with a housing chamber 3 , in the electronic components of an evaluation circuit 19 are arranged. The evaluation circuit 19 serves as an evaluation circuit for the signals of the force sensor 1 , The in the 1 open chamber 3 is used in the production of the force sensor 1 sealed as protection against environmental influences, eg. B. by placing a lid or by pouring the cavity 3 with a potting compound. The housing 2 is advantageously made of a corrosion resistant and high strength material, such as steel.

Von einer der Rückseite gegenüberliegenden Frontseite des Gehäuses 2 geht eine mehradrige elektrische Leitung 4 aus, die dazu dient, den Kraftsensor 1 elektrisch mit weiteren Bauteilen zu kontaktieren. Das Gehäuse 2 weist ferner als Befestigungselemente zwei Durchgangsbohrungen 5, 6 auf, über die der Kraftsensor 1 beispielsweise über Passstifte oder Schrauben mit einer definierten Justierung montiert werden kann.From a front side opposite the back of the case 2 goes a multi-wire electrical line 4 which serves to force the force sensor 1 to contact electrically with other components. The housing 2 also has two through holes as fasteners 5 . 6 on, over which the force sensor 1 can be mounted for example via dowel pins or screws with a defined adjustment.

Die 2 zeigt den Kraftsensor 1 von der Frontseite. Die Frontseite weist auf der Oberfläche des Gehäuses 2 einen Bereich auf, der das Substrat 7 bildet, das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, z. B. aus Metall. Vorteilhaft kann das gesamte Gehäuse aus dem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Auf dem Substrat 7 ist eine dünne Beschichtung in Form einer mit Kohlenwasserstoff gebildeten piezoresistiven Sensorschicht aufgebracht. Der entsprechende Schichtaufbau wird nachfolgend noch anhand der 4 näher erläutert.The 2 shows the force sensor 1 from the front. The front side points to the surface of the housing 2 an area on which the substrate 7 forms, which consists of an electrically conductive material, for. B. of metal. Advantageously, the entire housing may consist of the electrically conductive material. On the substrate 7 is applied a thin coating in the form of a hydrocarbon-formed piezoresistive sensor layer. The corresponding layer structure will be described below with reference to 4 explained in more detail.

Auf der piezoresistiven Sensorschicht sind strukturierte Elektroden aufgebracht. Eine erste Elektrode 12 ist beispielsweise im Wesentlichen oval geformt und über eine elektrische Verbindung 9 mit einem elektrischen Kontakt 13 verbunden. Eine weitere Elektrode 17 weist z. B. eine im Wesentlichen rechteckige Form auf. Die weitere Elektrode 17 ist über eine elektrische Verbindung 18 mit einem Kontakt 10 verbunden. Die Kontakte 10, 13 sind elektrisch mit der Auswerteschaltung 19 in dem Gehäuse 2 verbunden. Mittels des im Bereich der Elektrode 12 gebildeten piezoresistiven Sensorelements kann eine Kraftsensierung durchgeführt werden, wobei dieser Bereich 12 dann im Einwirkbereich der Kraft zu platzieren ist. Mit der Elektrode 17 kann eine Temperaturerfassung und -kompensation durchgeführt werden.On the piezoresistive sensor layer structured electrodes are applied. A first electrode 12 For example, it is substantially oval in shape and has an electrical connection 9 with an electrical contact 13 connected. Another electrode 17 has z. B. a substantially rectangular shape. The further electrode 17 is via an electrical connection 18 with a contact 10 connected. The contacts 10 . 13 are electrically connected to the evaluation circuit 19 in the case 2 connected. By means of in the area of the electrode 12 formed piezoresistive sensor element, a force sensing can be performed, this area 12 then to place in the area of influence of the force. With the electrode 17 a temperature detection and compensation can be performed.

Die 3a und 3b zeigen eine Skizze mit einem Schaltdiagramm zur temperaturkompensierten Kraftmessung mit einem Schaltbild einer Viertelbrücke zur Temperaturkompensation.The 3a and 3b show a sketch with a circuit diagram for temperature-compensated force measurement with a circuit diagram of a quarter bridge for temperature compensation.

Gemäß 3a ist durch den Bereich 8 die kraftbeaufschlagte Fläche dargestellt. Die für die Kraftsensierung vorgesehene Elektrode 12 ist innerhalb des Bereichs 8 angeordnet. Die für die Temperatursensierung vorgesehene Elektrode 17 ist außerhalb des Bereichs 8 angeordnet.According to 3a is through the area 8th the kraftbeaufschlagte area shown. The intended for the force sensor electrode 12 is within the range 8th arranged. The intended for the temperature sensing electrode 17 is out of range 8th arranged.

Die Kontakte 10, 13 sowie das Substrat 7 sind über elektrische Verbindungsleitungen 40, 41, 42 mit der Auswerteschaltung 19 verbunden. Die Verbindungsleitungen 40, 41, 42 können als einzelne Adern der elektrischen Leitung 4 ausgeführt sein. An die Leitung 42 und damit an das Substrat 7 ist eine Konstantspannungsquelle U mit einer konstanten Spannung angeschlossen.The contacts 10 . 13 as well as the substrate 7 are via electrical connection lines 40 . 41 . 42 with the evaluation circuit 19 connected. The connection lines 40 . 41 . 42 can as single wires of electric wire 4 be executed. To the line 42 and thus to the substrate 7 is a constant voltage source U connected to a constant voltage.

Die piezoresistive Sensorschicht kann homogen auf einen Grundkörper, hier z. B. das Substrat 7, aufgetragen werden. Zur Ausbildung einzelner piezoresistiver Messaufnehmer ist es notwendig, Bereiche zu definieren, in denen die eigentliche Messung der Kontaktkräfte stattfinden soll. Hierfür kann vorteilhaft eine elektrisch leitfähige Beschichtung in dedizierten Bereichen des Grundkörpers vorgesehen werden, und zwar in Form der anhand der 3a dargestellten Bereiche 9, 10, 12, 13, 17, 18. Vorteilhaft besteht jeder Sensorbereich aus zwei Elektroden F, T. Die für die Kraftmessung ausgebildete Elektrode F ist als Kombination zwischen einem rechteckigem Bereich 13, einem länglichen Verbindungsbereich 9 und einem gerundeten Bereich 12 ausgestaltet, wobei der gerundete Bereich vorteilhaft in Form eines lang gestreckten Ovals ausgebildet sein kann. Die für die Temperaturmessung ausgebildete Elektrode T ist als Kombination zwischen einem rechteckigem Bereich 10, einem länglichen Verbindungsbereich 18 und einem rechteckigen Bereich 17 ausgestaltet. Wie in 3a zu erkennen ist, befindet sich nur der ovale Bereich 12 der Elektrode innerhalb der kraftbeaufschlagten Fläche 8. Die Bereiche 9, 10, 13, 17, 18 der Elektroden befinden sich in dem nicht kraftbeaufschlagten Bereich. Somit befindet sich von der gesamten Sensoranordnung nur der ovale Bereich 12 im Kraftfluss der mechanischen Konstruktion. Die zusätzlich neben der Elektrode F angeordnete rechteckförmige Elektrode T befindet sich vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Elektrode F, ist mit dieser jedoch nicht leitfähig verbunden. Die rechteckförmigen Bereiche 10, 13 der Elektroden dienen dabei zugleich der Kontaktierung der Anschlussdrähte zur Verbindung mit einer Messschaltung. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Bereiche 10 + 17 + 18 der Elektrode T den gleichen Flächenbereich einnehmen wie die Bereiche 9 + 12 + 13 der Elektrode F. Hierdurch ist mittels der Elektrode T eine optimale Temperaturkompensation möglich.The piezoresistive sensor layer can be homogeneously applied to a base body, here z. B. the substrate 7 , are applied. To form individual piezoresistive sensors, it is necessary to define areas in which the actual measurement of the contact forces should take place. For this purpose, advantageously, an electrically conductive coating can be provided in dedicated areas of the base body, in the form of the basis of the 3a represented areas 9 . 10 . 12 . 13 . 17 . 18 , Advantageously, each sensor region consists of two electrodes F, T. The electrode F designed for the force measurement is a combination between a rectangular region 13 , an elongated connection area 9 and a rounded area 12 configured, wherein the rounded portion can be advantageously formed in the form of an elongated oval. The temperature measuring electrode T is a combination between a rectangular area 10 , an elongated connection area 18 and a rectangular area 17 designed. As in 3a can be seen, is located only the oval area 12 the electrode within the force-loaded surface 8th , The areas 9 . 10 . 13 . 17 . 18 the electrodes are in the non-force applied area. Thus, of the entire sensor array is only the oval area 12 in the power flow of mechanical construction. The additionally arranged next to the electrode F rectangular electrode T is advantageously located in close proximity to the electrode F, but is not connected to conductive. The rectangular areas 10 . 13 At the same time, the electrodes serve to make contact with the connecting wires for connection to a measuring circuit. It is advantageous that the areas 10 + 17 + 18 the electrode T occupy the same area as the areas 9 + 12 + 13 the electrode F. By means of the electrode T, an optimal temperature compensation is possible.

Wie in der 3a ebenfalls erkennbar ist, ist das Substrat 7 als metallischer Grundkörper eine elektrische Referenz für die Erfassung der Sensorsignale. Das Substrat 7 liegt dabei beispielsweise auf Massepotenzial. Die Elektroden F, T werden über eine Messschaltung mit einer Spannungsquelle verbunden, deren Potenzial höher liegt als das Massepotenzial. Hierdurch bildet sich ein Stromfluss aus, bei dem die Ladungsträger zunächst über eine Verbindungsstelle in die Elektroden T, F fließen und von dort durch die Sensorschicht zur elektrischen Masse, d. h. über den metallischen Grundkörper des Substrats 7 zur Masse der Spannungsversorgung. Für die Funktion als Messaufnehmer kommen die Bereiche der Anordnung in Frage, in denen ein Stromfluss durch die piezoresistive Beschichtung fließt und eine Widerstandsänderung der Beschichtung messtechnisch erfasst werden kann. Die piezoresistive Sensorschicht ist prinzipbedingt sehr hochohmig. Aus diesem Grund kommt es nicht zu einem relevanten Stromfluss von einer Elektrode zur anderen, d. h. die Messungen an den einzelnen Elektroden beeinflussen sich gegenseitig nicht.Like in the 3a Also recognizable is the substrate 7 as metallic base an electrical reference for the detection of the sensor signals. The substrate 7 is for example at ground potential. The electrodes F, T are connected via a measuring circuit to a voltage source whose potential is higher than the ground potential. As a result, a current flow forms in which the charge carriers initially flow via a connection point into the electrodes T, F and from there through the sensor layer to the electrical ground, ie via the metallic base body of the substrate 7 to the ground of the power supply. For the function as a sensor, the areas of the arrangement in question in which a current flow through the piezoresistive coating flows and a change in resistance of the coating can be detected by measurement. The piezoresistive sensor layer is inherently very high impedance. For this reason, there is no relevant current flow from one electrode to the other, ie the measurements on the individual electrodes do not influence each other.

Aufgrund des hohen spezifischen Widerstands der piezoresistiven Sensorschicht fließen die Ladungsträger, sozusagen nach dem Prinzip des Wegs des geringsten Widerstands, von einer Elektrode durch die relativ dünne Sensorschicht zur elektrischen Masse des Grundkörpers. Ein Stromfluss über den wesentlich hochohmigeren Weg über benachbarte Elektroden ist vernachlässigbar. Daher kann jede Elektrode als ein separater, veränderlicher ohmscher Widerstand betrachtet werden.Due to the high resistivity of the piezoresistive sensor layer, the charge carriers flow, so to speak, on the principle of the path of least resistance, from one electrode through the relatively thin sensor layer to the electrical ground of the main body. A current flow over the much higher impedance path via adjacent electrodes is negligible. Therefore, each electrode can be considered as a separate, variable resistive resistor.

Die Sensoren F, T sind über elektrische Widerstände R_trimm und R_e an die Konstantspannungsquelle U angeschlossen. Statt einer Konstantspannungsquelle kann auch eine Konstantstromquelle verwendet werden. Eine Konstantstromquelle bietet verschiedene Vorteile bei der Übertragung der Messsignale in die Messschaltung, wie z. B. die Möglichkeit zur Erkennung von Leitungsbrüchen oder ausgefallenen Sensoren.The sensors F, T are connected via electrical resistors R _trimm and R _e to the constant _{voltage source} U. Instead of a constant voltage source, a constant current source can also be used. A constant current source offers various advantages in the transmission of the measurement signals in the measuring circuit, such. B. the possibility of detecting line breaks or failed sensors.

Kommt es durch den Einfluss von Druck bzw. Kraft oder Temperatur zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht, kann dieser lokal im Bereich der Elektroden erfasst werden, da er den Stromfluss dort direkt beeinflusst. Für verschiedene Anwendungen besteht ein Bedarf daran, dass die Messung nicht durch Temperatureinflüsse ungenau wird. Es ist daher eine temperaturstabilisierte Messung anzustreben. Zu diesem Zweck wird eine Messschaltung gemäß 3a bzw. 3b verwendet. Bei dieser Messschaltung wird in Reihe zu jeder Elektrode ein externer Widerstand geschaltet. Ergänzt mit einer Spannungsquelle kann dann eine Brückenschaltung aufgebaut werden. Die Querspannung U_b der Brückenschaltung steht dabei in folgendem Zusammenhang mit den übrigen Größen der Messschaltung:

If there is a change in the electrical resistance of the sensor layer due to the influence of pressure or force or temperature, it can be detected locally in the area of the electrodes, since it directly influences the current flow there. For various applications, there is a need for the measurement not to become inaccurate due to temperature effects. It is therefore desirable to have a temperature-stabilized measurement. For this purpose, a measuring circuit according to 3a respectively. 3b used. In this measurement circuit, an external resistor is connected in series with each electrode. Supplemented with a voltage source, a bridge circuit can then be set up. The transverse voltage U _{b of} the bridge circuit is in the following context with the other variables of the measuring circuit:

Eine Änderung der Schichtwiderstände in der Sensorschicht macht sich daher in einer Änderung der Querspannung bemerkbar. Man kann erkennen, dass durch Anpassen des externen Widerstands R_trimm die Größenverhältnisse so eingestellt werden können, dass die Querspannung zwischen den Brückenzweigen zu Null wird. Ein solcher Abgleich kann einmalig erfolgen, z. B. im unbelasteten Zustand des Kraftsensors. Kommt es nun zu einer Krafteinwirkung auf die Elektrode F, reduziert sich an dieser Stelle der elektrische Widerstand der Sensorschicht. An der Elektrode T kann dies nicht erfolgen, da sie sich nicht innerhalb des kraftbeaufschlagten Bereichs 8 befindet. Die Elektrode T verändert daher ihren Widerstand kraftbedingt nicht. Beide Elektroden F, T unterliegen aber zusätzlich einer temperaturbedingten Widerstandsänderung. Durch in etwa flächenmäßig gleich große Ausbildung der Bereiche 12, 17 und Anordnung der Bereiche 12, 17 nahe beieinander kann eine effiziente Temperaturkompensation erfolgen.A change in the sheet resistances in the sensor layer therefore manifests itself in a change in the transverse voltage. It can be seen that by adjusting the external resistance R _trim, the proportions can be adjusted so that the cross _voltage between the bridge branches becomes zero. Such an adjustment can be done once, for. B. in the unloaded state of the force sensor. If there is now a force acting on the electrode F, the electrical resistance of the sensor layer is reduced at this point. At the electrode T, this can not be done because they are not within the force-loaded area 8th located. The electrode T therefore does not change its resistance due to the force. However, both electrodes F, T are additionally subject to a temperature-induced change in resistance. By about the same size in terms of area training of the areas 12 . 17 and arrangement of the areas 12 . 17 close to each other, an efficient temperature compensation can take place.

Als Folge der Kraftbeaufschlagung des Bereichs 12 ändert sich der Widerstand der darunter befindlichen Sensorschicht. Hierdurch sind die Widerstandsverhältnisse der Brückenschaltung nicht mehr so abgestimmt, dass die Querspannung U_b den Wert Null hat. Es ergibt sich somit eine von Null verschiedene Querspannung. Dieser Spannungswert ist dann ein Maß für die einwirkende Kraft auf die Elektrode F, was von einer angeschlossenen Messeinheit 11 erfasst und verarbeitet werden kann. Die Messeinheit 11 kann z. B. einen Operationsverstärker zur Signalverstärkung aufweisen.As a result of the application of force to the area 12 the resistance of the underlying sensor layer changes. As a result, the resistance ratios of the bridge circuit are no longer adjusted so that the transverse voltage U _{b has} the value zero. This results in a non-zero transverse stress. This voltage value is then a measure of the force acting on the electrode F, which is a connected measuring unit 11 can be captured and processed. The measuring unit 11 can z. B. have an operational amplifier for signal amplification.

Kommt es zu einer Temperaturveränderung im Bereich der Sensoren, wirkt sich diese Temperaturveränderung auf die gesamte Sensorschicht in diesem Bereich aus. Entsprechend ändert sich der Widerstand der Sensorschicht in diesem Bereich. Durch die identische Größe der Bereiche 9 + 12 + 13 einerseits und der Bereiche 10 + 17 + 18 andererseits kommt es dabei nicht zu einem Ungleichgewicht in der Messung, sondern zu einer Kompensation innerhalb der Brückenschaltung. Es bleibt das Widerstandsverhältnis in den Brückenzweigen gleich, so dass es auch nicht zu einer temperaturbedingten Änderung der Querspannung kommt. Die Schaltung ist somit automatisch temperaturkompensiert.If there is a temperature change in the area of the sensors, this temperature change affects the entire sensor layer in this area. Accordingly, the resistance of the sensor layer changes in this area. Due to the identical size of the areas 9 + 12 + 13 one hand, and the areas 10 + 17 + 18 On the other hand, this does not lead to an imbalance in the measurement, but to a compensation within the bridge circuit. It remains the same resistance ratio in the bridge arms, so that it does not lead to a temperature-induced change in the transverse stress. The circuit is thus automatically temperature compensated.

3b lässt mit dem Schaltdiagramm erkennen, dass die durch die piezoresistiven Strukturen gebildeten Elektroden T, F mit den Widerständen R_trimm und R_e in einer Brückenschaltung (Wheatstone-Brücke) verschaltet sind. Hierbei entspricht der dargestellte Widerstand R_F dem Widerstand der Elektrode F, der Widerstand R_T entspricht dem Widerstand der Elektrode T. Hiermit wird eine Temperaturkompensation der Messung erreicht, die notwendig ist, da die Temperatur im Einsatzbereich des Messsystems in der Regel beträchtlichen Schwankungen unterworfen sein kann. 3b can be seen with the _{circuit diagram} that the electrodes formed by the piezoresistive structures T, F with the resistors R _trim and R _e in a bridge circuit (Wheatstone bridge) are connected. Here, the illustrated resistance R _F corresponds to the resistance of the electrode F, the resistance R _T corresponds to the resistance of the electrode T. This temperature compensation of the measurement is achieved, which is necessary because the temperature in the application of the measuring system usually be subject to considerable fluctuations can.

Die Temperaturkompensation der Messung wird durch die Anwendung einer Viertelbrückenschaltung realisiert. Hierbei werden die elektrischen Widerstände R_T und R_F des jeweiligen Sensorpunktes durch zwei externe Widerstände R_trimm und R_E ergänzt, die in einem separaten Modul zusammen mit der zur Signalerfassung und -auswertung notwendigen Elektronik untergebracht sind und unter anderem auch die Abstimmung der Brückenspannung ermöglichen. Bei dieser Art der Temperaturkompensation wird davon ausgegangen, dass sowohl die externen Widerstände R_trimm und R_e wie auch die Strukturen des Sensorpunktes jeweils ein weitgehend identisches Temperaturverhalten zeigen und auch gleichen Temperaturen ausgesetzt sind. Auf diese Weise bleibt die Brückenspannung auch bei Änderung der Temperatur entweder im Elektronikmodul oder am Wälzlager konstant. Neben der Temperaturkompensation ist die Störunempfindlichkeit dieser Schaltung ein weiterer Vorteil. Insbesondere Störungen im Massepotential koppeln durch den Aufbau als Brückenschaltung als Gleichtaktstörungen in beide Brückenzweige synchron ein und verfälschen so nicht die gemessene Brückenspannung.The temperature compensation of the measurement is realized by the application of a quarter-bridge circuit. Here, the electrical resistors R _T and R _{F of} the respective sensor point are complemented by two external resistors R _trimmed and R _E , which are housed in a separate module together with the necessary for signal detection and evaluation electronics and allow inter alia, the vote of the bridge voltage , In this type of temperature _compensation , it is assumed that both the external resistors R _trim and R _e as well as the structures of the sensor point each exhibit a largely identical temperature behavior and are also exposed to the same temperatures. In this way, the bridge voltage remains constant even when changing the temperature either in the electronic module or the rolling bearing. In addition to the temperature compensation, the noise immunity of this circuit is another advantage. In particular, disturbances in the ground potential coupled by the structure as a bridge circuit as common mode noise in both bridge arms synchronously and so do not distort the measured bridge voltage.

Der Stromfluss in dieser Viertelbrücken-Schaltung ist derart, dass an den piezoresistiven Sensorstrukturen der Strom durch die Kontaktstellen in die piezoresistive Schicht eintritt, diese durchdringt und über das Substrat 7 wieder abfließt. Da sich der Strom hierbei bedingt durch das Prinzip des geringsten Widerstands den kürzesten Weg, das heißt senkrecht durch die Schicht, sucht, kommt es trotz der homogen auf das Substrat 7 aufgetragenen piezoresistiven Sensorschicht nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Sensorstrukturen.The current flow in this quarter-bridge circuit is such that, at the piezoresistive sensor structures, the current enters through the contact points into the piezoresistive layer, penetrates the same and passes through the substrate 7 drains again. Since the current due to the principle of least resistance seeks the shortest path, that is perpendicular through the layer, it comes despite the homogeneous on the substrate 7 applied piezoresistive sensor layer does not interfere with each other of the individual sensor structures.

Der Aufbau der piezoresistiven Sensoren ist in der 4 skizziert. Das Substrat 7 dient als Träger für eine flächig aufgebrachte piezoresistive Sensorschicht 14 bestehend aus einer dotierten oder undotierten Kohlenwasserstoffschicht. Als Dotierungsmaterialien kommen beispielsweise Metalle, wie Wolfram, Chrom, Silber, Titan, Gold, Platin etc. in Frage. Als Material für die Sensorschicht 14 sind auch reine oder amorphe Kohlenstoffschichten möglich.The structure of the piezoresistive sensors is in the 4 outlined. The substrate 7 serves as a carrier for a piezoresistive sensor layer applied in a planar manner 14 consisting of a doped or undoped hydrocarbon layer. Examples of suitable doping materials are metals such as tungsten, chromium, silver, titanium, gold, platinum, etc. As material for the sensor layer 14 also pure or amorphous carbon layers are possible.

Auf die piezoresistive Sensorschicht 14 sind strukturierte Elektroden 15 zur Kraftmessung und zur Temperaturkompensation aufgebracht. Diese strukturierten Elektroden 15 bestehen aus einer dünnen Metallschicht, wie z. B. Chrom, Titan, Chrom-Nickel-Verbindungen etc. Die strukturierten Elektroden haben die in 3 gezeigte und diskutierte Form und bilden die Bereiche 10, 12, 13, 17, 18.On the piezoresistive sensor layer 14 are structured electrodes 15 applied for force measurement and temperature compensation. These structured electrodes 15 consist of a thin metal layer, such. As chrome, titanium, chrome-nickel compounds, etc. The structured electrodes have the in 3 shown and discussed form and form the areas 10 . 12 . 13 . 17 . 18 ,

Die piezoresistive Sensorschicht 14 sowie die strukturierten Elektroden 15 sind mit einer Isolations- und Verschleißschutzschicht 16 abgedeckt, die z. B. aus einer siliziumdotieren Kohlenwasserstoffschicht gebildet ist. Denkbar ist auch die Verwendung von Silizium-Sauerstoff-, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitriddotierten Kohlenwasserstoffschichten.The piezoresistive sensor layer 14 as well as the structured electrodes 15 are with an insulation and wear protection layer 16 covered, the z. B. is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer. It is also conceivable to use silicon-oxygen, aluminum oxide or aluminum nitride-doped hydrocarbon layers.

Bei dem dargestellten Schichtsystem haben alle Sensorstrukturen der piezoelektrischen Messaufnehmer dieselbe elektrische Masse, für die das metallische Substrat 7 verwendet wird.In the illustrated layer system, all the sensor structures of the piezoelectric sensors have the same electrical mass, for which the metallic substrate 7 is used.

Ein piezoresistiver Dünnschichtsensor bestehend aus einer auf einem Träger angeordneten Kohlenwasserstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften und Elektrodenstrukturen auf der piezoresistiven Sensorschicht ist zudem aus der DE 10 2006 019 942 A1 bekannt.A piezoresistive thin-film sensor comprising a hydrocarbon layer with piezoresistive properties and electrode structures on the piezoresistive sensor layer arranged on a support is also known from US Pat DE 10 2006 019 942 A1 known.

In der 5 ist eine vorteilhafte Verwendungsmöglichkeit des Kraftsensors 1 dargestellt. Die 5 zeigt eine Klauenkupplung 50 mit einem ersten Kupplungsteil 51 und einem zweiten, dem ersten Kupplungsteil 51 zugeordneten Kupplungsteil 52. Das zweite Kupplungsteil 52 weist vorstehende Klauen 53, 54 auf. Das erste Kupplungsteil 51 weist Klauenaufnahmen 55, 56 auf, die zur Aufnahme der Klauen 53, 54 vorgesehen sind. In die Klauen 53, 54 ist jeweils ein Kraftsensor 1 integriert. Die Kraftsensoren 1 sind in den Klauen 53, 54 derart angeordnet, dass die durch die Klauenaufnahmen 55, 56 auf die Klauen 53, 54 übertragenen Kräfte auf die jeweiligen Sensorbereiche 12 der Kraftsensoren 1 wirken.In the 5 is an advantageous use of the force sensor 1 shown. The 5 shows a dog clutch 50 with a first coupling part 51 and a second, the first coupling part 51 associated coupling part 52 , The second coupling part 52 has protruding claws 53 . 54 on. The first coupling part 51 has claw recordings 55 . 56 on, to pick up the claws 53 . 54 are provided. In the claws 53 . 54 is in each case a force sensor 1 integrated. The force sensors 1 are in the claws 53 . 54 arranged such that by the claw recordings 55 . 56 on the steal 53 . 54 transmitted forces to the respective sensor areas 12 the force sensors 1 Act.

Durch die mit Kraftsensoren 1 versehene Klauenkupplung 50 kann eine Momentenmesswelle bzw. eine Momenteneichwelle geschaffen werden. Die Kraftsensoren 1 sind in der Klauenkupplung 50 derart angeordnet, dass Kräfte in beiden Drehrichtungen gemessen werden können.Through the with force sensors 1 provided jaw clutch 50 can be created a torque measuring shaft or a torque calibration. The force sensors 1 are in the claw clutch 50 arranged such that forces can be measured in both directions of rotation.

Bisher werden zur Messung von Drehmomenten Messwellen oder Messflansche verwendet, die mit Dehnungsmessstreifen bestückt sind. Bei solchen Messverfahren führt die Verformung des Trägermaterials, d. h. der Messwelle bzw. des Messflansches, zu einer Dehnung der Dehnungsmessstreifen, was wiederum zu einer Widerstandsänderung des Messstreifens führt, die als Maß für die Bestimmung des anliegenden Moments herangezogen wird. Solche Realisierungen mit Dehnungsmessstreifen haben den Nachteil, dass eine genaue Kenntnis der Dehnungseigenschaften des Trägermaterials für eine präzise Drehmomentenmessung erforderlich ist. Die Eigenschaften des Trägermaterials müssen daher, da sie einer Alterung unterliegen, regelmäßig geprüft werden, d. h. es ist eine regelmäßige Eichung solcher Messwellen oder Messflansche erforderlich.So far, measuring shafts or measuring flanges are used to measure torques, which are equipped with strain gauges. In such measuring methods, the deformation of the carrier material, i. H. the measuring shaft or the measuring flange, to an expansion of the strain gauges, which in turn leads to a change in resistance of the measuring strip, which is used as a measure for the determination of the applied torque. Such strain gage implementations have the disadvantage of requiring accurate knowledge of the strain characteristics of the substrate for accurate torque measurement. The properties of the support material must therefore, as they are subject to aging, be checked regularly, d. H. Regular calibration of such measuring shafts or measuring flanges is required.

Durch die vorgeschlagene Integration von Kraftsensoren in die Klauenkupplung können die genannten Nachteile überwunden werden. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Kraftsensors ermöglicht die Produktion von hochgenauen Messwellen oder Messflanschen ohne die Notwendigkeit, die Materialeigenschaften des Trägermaterials genau zu kennen und regelmäßig zu prüfen.The proposed integration of force sensors in the dog clutch, the disadvantages mentioned can be overcome. The use of the force sensor according to the invention enables the production of high-precision measuring shafts or measuring flanges without the need to know the material properties of the substrate accurately and to check regularly.

Die durch die Kraftsensoren gemessene Kraft ist dabei proportional zum Drehmoment, das über die Klauen der Klauenkupplung übertragen wird. Sofern lediglich eine Drehmomentübertragung in eine Drehrichtung gemessen werden soll, ist lediglich ein Kraftsensor 1 erforderlich.The force measured by the force sensors is proportional to the torque that is transmitted via the jaws of the dog clutch. If only a torque transmission to be measured in one direction of rotation, is only a force sensor 1 required.

Die 6 zeigt eine Lagerstelle 60 mit einem Kugellager 61, 62, 63 und acht Kraftsensoren 1. Die Lagerstelle 60 ist zur besseren Erkennbarkeit der Anordnung der Kraftsensoren 1 teilweise geschnitten dargestellt, so dass zwei Kraftsensoren 1 erkennbar sind. Die übrigen sechs Kraftsensoren sind gleichmäßig über den Umfang der Lagerstelle 60 verteilt. Erkennbar sind die elektrischen Anschlusskabel 4 der Kraftsensoren 1, die aus jeweiligen Durchgangsöffnungen 66 eines äußeren Gehäuseteils 65 der Lagerstelle herausgeführt sind.The 6 shows a storage location 60 with a ball bearing 61 . 62 . 63 and eight force sensors 1 , The depository 60 is for better visibility of the arrangement of the force sensors 1 shown partially cut so that two force sensors 1 are recognizable. The remaining six force sensors are uniform over the circumference of the bearing 60 distributed. Visible are the electrical connection cables 4 the force sensors 1 coming from respective through holes 66 an outer housing part 65 the bearing point are led out.

Die Lagerstelle 60 weist ein äußeres Gehäuseteil 65 und ein inneres Gehäuseteil 64 auf. Zwischen dem äußeren Gehäuseteil 65 und dem inneren Gehäuseteil 64 ist ein Kugellager angeordnet. Das Kugellager weist einen inneren Lagerring 61, einen äußeren Lagerring 63 sowie eine Mehrzahl von Kugeln 62 auf, die zusammen mit einem Kugelhalteelement zwischen dem inneren Lagerring 61 und dem äußeren Lagerring 63 angeordnet sind. Auf einer unteren Gehäusewand des äußeren Gehäuseteils 65 sind Kraftsensoren 1 sternförmig um das Zentrum der Lagerstelle 60 herum angeordnet. Die Kraftsensoren 1 sind dabei mit ihrem Sensorbereich 12 unterhalb des Außenrings 63 des Kugellagers zwischen dem Außenring 63 und der unteren Wand des äußeren Gehäuseteils 65 angeordnet. Hierdurch können in Längsrichtung des Kugellagers wirkende Kräfte, die beispielsweise aufgrund von Lagerungenauigkeiten oder Lagerschäden von den Kugeln 62 auf den Außenring 63 übertragen werden, über die Kraftsensoren 1 erfasst werden.The depository 60 has an outer housing part 65 and an inner housing part 64 on. Between the outer housing part 65 and the inner housing part 64 a ball bearing is arranged. The ball bearing has an inner bearing ring 61 , an outer bearing ring 63 and a plurality of balls 62 on, which together with a ball holding element between the inner bearing ring 61 and the outer bearing ring 63 are arranged. On a lower housing wall of the outer housing part 65 are force sensors 1 star-shaped around the center of the deposit 60 arranged around. The force sensors 1 are there with their sensor area 12 below the outer ring 63 the ball bearing between the outer ring 63 and the lower wall of the outer housing part 65 arranged. As a result, acting in the longitudinal direction of the ball bearing forces, for example, due to bearing inaccuracies or bearing damage from the balls 62 on the outer ring 63 transmitted via the force sensors 1 be recorded.

Im Bereich der Lagerüberwachung stellt heutzutage die Verwendung von Beschleunigungsaufnehmern den gängigen Stand der Technik dar. Beschleunigungsaufnehmer zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus, wodurch es möglich ist, sie am Lagerbock oder Maschinengehäuse zu montieren und mittels geeigneter Methoden der Signalverarbeitung Rückschlüsse auf den Zustand des betrachteten Wälzlagers zu ziehen. Eine solche Art der Lagerüberwachung hat jedoch auch Nachteile. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Sensoren setzt sich das Messsignal sowohl aus den Vibrationen des zu überwachenden Lagers als auch aus den Vibrationen anderer schwingender Komponenten des Gesamtsystems zusammen, deren Schwingungen über die Struktur zum Beschleunigungsaufnehmer übertragen werden. Hierdurch ist keine genaue Differenzierung zwischen den Ursachen der erfassten Schwingungen möglich. Daher kann wohl die Tatsache eines Lagerschadens erkannt werden, die Quelle des Schadens aber nicht eindeutig zugeordnet werden. Ein weiterer Nachteil der Lagerüberwachung mittels Beschleunigungssensoren besteht darin, dass die Beschleunigungssensoren nicht direkt am Lager angeordnet werden können. Somit können die vom Lager hervorgerufenen Vibrationen erst detektiert werden, nachdem sie sich vom Lager in den Lagerbock und von dort in den Beschleunigungssensor ausgebreitet haben. Hierdurch verschlechtert sich die Signalgüte, was zu einer verzögerten Erkennung von Lagerschäden führt.Accelerometers are characterized by a high sensitivity, which makes it possible to mount them on the bearing block or machine housing and draw conclusions about the condition of the considered by means of suitable signal processing methods in the field of bearing monitoring To pull rolling bearing. However, such a kind of bearing control also has disadvantages. Due to the high sensitivity of the sensors, the measurement signal is composed both of the vibrations of the bearing to be monitored and of the vibrations of other oscillating components of the overall system whose vibrations are transmitted via the structure to the accelerometer. As a result, no precise differentiation between the causes of the detected vibrations is possible. Therefore, the fact of a bearing damage can be recognized, but the source of the damage can not be clearly assigned. Another disadvantage of bearing monitoring by means of acceleration sensors is that the acceleration sensors can not be arranged directly on the bearing. Thus, the vibrations caused by the bearing can not be detected until they have spread from the bearing into the bearing block and from there into the acceleration sensor. This degrades the signal quality, which leads to a delayed detection of bearing damage.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kraftsensoren direkt in einem Lager können diese Nachteile überwunden werden. Die Kraftsensoren können damit als Lagerüberwachungssensorik direkt einem Spalt zwischen einem Lager und einem Lagersitz angeordnet werden, was eine direktere Sensierung ermöglicht. Hierdurch kann eine Fehlererkennung in Lagern als auch eine genaue Lokalisierung des Fehlers schneller und zuverlässiger durchgeführt werden. Entsprechende Defekte im Lager wirken sich dabei auf unterschiedliche Druckverteilungen an der Lagerstirn und damit unterschiedliche erfasste Kräfte der Kraftsensoren aus.By using the force sensors according to the invention directly in a warehouse, these disadvantages can be overcome. The force sensors can thus be arranged as a bearing monitoring sensor directly a gap between a bearing and a bearing seat, which allows a more direct sensing. This allows fault detection in warehouses as well as accurate localization of the fault to be performed faster and more reliably. Corresponding defects in the bearing have an effect doing so to different pressure distributions on the bearing front and thus different detected forces of the force sensors.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10243095 B4 [0002]
DE 102006019942 A1 [0060]

Claims

Piezoresistive force sensor with a substrate ( 7 ), at least one on the surface of the substrate ( 7 ) formed with doped or undoped hydrocarbon or pure carbon piezoresistive sensor layer, at least one applied to the piezoresistive sensor layer first electrode ( 12 ) and at least one insulation and wear protection layer covering the piezoresistive sensor layer and the first electrode, characterized in that the force sensor ( 1 ) is made as a separate component, which can be used after its production in another component or connectable thereto.

Force sensor according to claim 1, characterized in that the force sensor ( 1 ) at least one fastening element ( 5 . 6 ), by means of which the force sensor ( 1 ) is mountable on another component.

Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor ( 1 ) at least one housing ( 2 ), on which the substrate ( 7 ) or at least part of the housing ( 2 ) the substrate ( 7 ), wherein the housing ( 2 ) at least one fastening element ( 5 . 6 ), by means of which the force sensor ( 1 ) is mountable on another component.

Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the force sensor ( 1 ) an integrated in the force sensor evaluation circuit ( 19 ), in particular a measuring bridge and / or a signal amplifier, which on the one hand with the substrate ( 7 ) and the first electrode ( 12 ) and on the other hand with at least one contactable from outside electrical connection element ( 4 ) connected is.

Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second electrode ( 17 ) on the piezoresistive sensor layer or another on the surface of the substrate ( 7 ) is provided, piezoresistive sensor layer is provided, wherein the second electrode ( 17 ) is covered with the insulation and wear protection layer or another insulation and wear protection layer, wherein the second electrode ( 17 ) with the substrate ( 7 ) forms a temperature sensor.

Force sensor according to claim 5, characterized in that the second electrode ( 17 ) is used as a temperature compensation element with the first electrode ( 12 ) is interconnected.

Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a third electrode, which forms a force sensor with the substrate, and a fourth electrode, with which the substrate forms a temperature sensor, are provided, wherein the first, the second, the third and the fourth Electrode are connected together to form a full bridge circuit.

Use of a force sensor according to one of the preceding claims for torque measurement, for measuring rotational speed and / or for detecting rotational irregularities of a rotating component.

Use of a force sensor according to at least one of claims 1 to 6 for load measurement and / or load limiting in a load-transmitting component.

A method for providing a piezoresistive force sensor comprising the steps of: a) forming a piezoresistive sensor layer by applying doped or undoped hydrocarbon or pure carbon to the surface of a substrate ( 7 b) applying at least one first electrode ( 12 ) on the piezoresistive sensor layer, c) applying at least one piezoresistive sensor layer and the first electrode ( 12 ) covering the insulation and wear protection layer, d) providing a first contactable from outside electrical connection element ( 20 ) directly or indirectly with the substrate ( 7 ), and at least one second contactable from outside electrical connection element ( 21 ) directly or indirectly connected to the at least one first electrode ( 12 ), for electrical contacting of the force sensor ( 1 ), e) Separating the force sensor as a separate component.