DE102011105539B4 - Device for converting a force into an electrical signal, in particular piezoresistive force sensor - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zum Wandeln einer Kraft (22) in ein elektrisches Signal, insbesondere piezoresistiver Kraftsensor, mit einem flächigen Substrat (10) und einer darauf aufgebrachten und vorzugsweise strukturierten sensitiven Schicht (12), die eine in die sensitive Schicht (12) eingeleitete Kraft (22) in ein elektrisches Signal wandelt, wobei die Vorrichtung (1) ein Krafteinleitungselement (20) aufweist, das über mindestens eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche (40, 42, 44) die gesamte Kraft (22) des Krafteinleitungselements (20) flächig in die sensitive Schicht (12) einleitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (20) die Kraft (22) an drei voneinander beabstandeten Positionen in die sensitive Schicht (12) einleitet, und dass aus der sensitiven Schicht (12) mindestens zwei Messelemente gebildet sind, die bereits auf dem Substrat (10) zu einer Messbrücke verschaltet sind.Device (1) for converting a force (22) into an electrical signal, in particular piezoresistive force sensor, with a planar substrate (10) and a sensitive layer (12) applied thereto and preferably structured, which introduces one into the sensitive layer (12) Force (22) converts into an electrical signal, wherein the device (1) has a force introduction element (20) over at least a predetermined and delimited force introduction surface (40, 42, 44) the entire force (22) of the force introduction element (20) surface into the sensitive layer (12), characterized in that the force introduction element (20) initiates the force (22) at three spaced-apart positions in the sensitive layer (12), and in that at least two measuring elements are formed from the sensitive layer (12) are already interconnected on the substrate (10) to a measuring bridge.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft in ein elektrisches Signal, insbesondere einen piezoresistiven Kraftsensor.The invention relates to a device for converting a force into an electrical signal, in particular a piezoresistive force sensor.
Derartige Vorrichtungen werden entweder unmittelbar als Kraftsensor oder beispielsweise auch als Druck- oder Beschleunigungssensoren eingesetzt, wobei durch einen geeigneten Verformungskörper die zu messende Größe in eine Kraft gewandelt wird. Die sensitive Schicht kann auf unterschiedlichen Signalwandlungsprinzipien beruhen, beispielsweise kann die Kraft in eine Änderung des elektrischen Widerstandes gewandelt werden (piezoresistives Prinzip), in eine Änderung der Kapazität (kapazitives Prinzip) oder in eine Änderung der elektrischen Polarisation oder elektrischen Ladung (piezoelektrisches Prinzip).Such devices are used either directly as a force sensor or for example as a pressure or acceleration sensors, wherein the size to be measured is converted into a force by a suitable deformation body. The sensitive layer can be based on different signal conversion principles, for example, the force can be converted into a change in electrical resistance (piezoresistive principle), in a change in capacitance (capacitive principle) or in a change in electrical polarization or electric charge (piezoelectric principle).
Bestimmte piezoresistive Werkstoffe verändern ihre elektrische Leitfähigkeit bei einwirkenden isostatischen Drücken, d. h. bei Drücken, die aus mehreren oder sogar allen Richtungen gleichzeitig auf das sensitive Element einwirken. So zeigen beispielsweise bestimmte Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierungen eine Empfindlichkeit von 2 × 10–6/bar, entsprechend 2 × 10–11/Pa, womit Drücke im Bereich einiger 1.000 bar gemessen werden können mit Widerstandsänderungen von beispielsweise 0,2% pro 1.000 bar.Certain piezoresistive materials change their electrical conductivity when isostatic pressures are applied, ie at pressures acting on the sensitive element from several or even all directions at the same time. For example, certain copper-manganese (nickel) alloys exhibit a sensitivity of 2 × 10 -6 / bar, corresponding to 2 × 10 -11 / Pa, whereby pressures in the range of a few thousand bars can be measured with resistance changes of, for example, 0.2 % per 1,000 cash.
Ein Problem, mit solchen piezoresistiven Werkstoffen Kräfte zu messen, besteht darin, die zu messende Kraft in geeigneter Weise in das Messelement einzuleiten. In Abhängigkeit von der Oberflächentopografie und/oder der Ausrichtung von Messelementeträger einerseits und der Richtung der zu messenden Kraft andererseits werden mechanisch nur Teile der Messstruktur mit der zu bestimmenden Kraft belastet. Dadurch wird die Genauigkeit und auch die Reproduzierbarkeit der Messung herabgesetzt.One problem with measuring forces with such piezoresistive materials is to introduce the force to be measured into the measuring element in a suitable manner. Depending on the surface topography and / or the alignment of the measuring element carrier on the one hand and the direction of the force to be measured on the other hand, only parts of the measuring structure are mechanically loaded with the force to be determined. This reduces the accuracy and reproducibility of the measurement.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere noch vielseitiger einsetzbar ist und einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb mit hoher Reproduzierbarkeit des Messsignals und mit hoher Messgenauigkeit gewährleistet.The invention has for its object to provide a device which overcomes the disadvantages of the prior art, in particular even more versatile and ensures a permanently reliable operation with high reproducibility of the measurement signal and with high accuracy.
Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.This object is achieved by the device defined in
In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft in ein elektrisches Signal, beispielsweise ein piezoresistiver Kraftsensor, ein flächiges Substrat und eine darauf angeordnete und vorzugsweise strukturierte sensitive Schicht auf. Die sensitive Schicht wandelt die eingeleitete Kraft in ein elektrisches Signal, beispielsweise in eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Die Vorrichtung weist außerdem ein Krafteinleitungselement auf, das über mindestens eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche die gesamte Kraft des Krafteinleitungselements flächig in die sensitive Schicht einleitet.In one embodiment, the device for converting a force into an electrical signal, for example a piezoresistive force sensor, has a planar substrate and a sensitive layer arranged thereon and preferably structured. The sensitive layer converts the introduced force into an electrical signal, for example, a change in the electrical resistance. The device also has a force introduction element which, via at least one predetermined and delimited force introduction surface, initiates the entire force of the force introduction element flatly into the sensitive layer.
Vorzugsweise wird die zu messende Kraft über das Krafteinleitungselement ganzflächig oder jedenfalls über mehr als 85%, insbesondere mehr als 95% der Fläche der sensitiven Schicht in die sensitive Schicht eingeleitet. Das flächige Substrat kann beispielsweise durch eine Keramikplatte gebildet sein. Es können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen im Nutzen auf einer gemeinsamen Platte oder in einem Wafer- oder Scheibenverbund hergestellt sein und nach Ende des Herstellungsvorganges sind die Vorrichtungen durch Zerkleinern der Platte bzw. des Wafers oder der Scheibe vereinzelt. Alternativ hierzu können die Vorrichtungen auch auf bereits vereinzelten Substraten hergestellt werden. Die sensitive Schicht kann unmittelbar auf das Substrat oder unter Zwischenlage einer Isolationsschicht oder eines Isolationsschichtensystems, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht, aufgebracht sein.Preferably, the force to be measured is introduced over the force introduction element over the entire surface or at least over more than 85%, in particular more than 95%, of the surface of the sensitive layer into the sensitive layer. The planar substrate can be formed for example by a ceramic plate. A plurality of devices according to the invention may be produced in use on a common plate or in a wafer or disc assembly, and after the end of the manufacturing process, the devices are singulated by crushing the plate or wafer or disc. Alternatively, the devices can also be produced on already isolated substrates. The sensitive layer can be applied directly to the substrate or with the interposition of an insulation layer or an insulation layer system, for example having at least one SiO 2 layer.
In einer Ausführungsart ist die mindestens eine Krafteinleitungsfläche durch eine zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement angeordnete und vorzugsweise strukturierte Schicht definiert. Die Strukturierung der die Krafteinleitungsfläche definierenden Schicht kann bereits beim Aufbringen der Schicht erfolgen, beispielsweise durch strukturiertes Aufbringen dieser Schicht mit einem Verfahren der Dickschichttechnik. Alternative hierzu kann die die Krafteinleitungsfläche definierende Schicht zunächst ganzflächig aufgetragen werden und anschließend beispielsweise mit fotolithografischen Verfahren der Dünnschichttechnik oder der Halbleitertechnologie strukturiert werden, wodurch sich eine hohe Präzision und Maßhaltigkeit ergibt. Die Schicht, durch welche die Krafteinleitungsfläche definiert ist, kann auch einer mechanisch festen und unlösbaren, jedenfalls zerstörungsfrei nicht-lösbaren Verbindung des Krafteinleitungselements mit der sensitiven Schicht dienen.In one embodiment, the at least one force introduction surface is defined by a layer which is arranged between the sensitive layer and the force introduction element and is preferably structured. The structuring of the layer defining the force introduction surface can already take place during the application of the layer, for example by structured application of this layer with a method of the thick-film technique. Alternatively, the layer defining the force introduction surface can first be applied over the whole area and then patterned, for example, using photolithographic methods of thin-film technology or semiconductor technology, resulting in high precision and dimensional accuracy. The layer, by which the force introduction surface is defined, can also serve a mechanically fixed and insoluble, in any case non-destructive non-detachable connection of the force introduction element with the sensitive layer.
Das Krafteinleitungselement leitet die Kraft an drei voneinander beabstandeten Positionen in die sensitive Schicht ein. Durch eine solche Dreibein- oder Tripod-Anordnung ist eine mechanische Überbestimmung der Kraftübertragung von dem Krafteinleitungselement in die sensitive Schicht verhindert. Über jede der drei voneinander beabstandeten Positionen kann derselbe Betrag der Kraft in die sensitive Schicht eingeleitet werden.The force introduction element introduces the force into the sensitive layer at three spaced-apart positions. Such a tripod or tripod arrangement prevents mechanical overdetermination of the transmission of force from the force introduction element into the sensitive layer. Over each of the three spaced positions, the same amount of force can be introduced into the sensitive layer.
In einer Ausführungsart ist an den drei Positionen zwischen dem Substrat und dem Krafteinleitungselement jeweils ein von der sensitiven Schicht gebildetes Messelement angeordnet. Diese Messelemente können elektrisch geeignet verschaltet sein, vorzugsweise bereits auf dem Substrat, um einen hohen Signalpegel zu erzielen. Beispielsweise können mehrere Messelemente in Form einer Halbbrücke oder in Form einer Vollbrücke verschaltet sein. Im Falle einer Vollbrücke können mindestens zwei der drei Elemente in unterschiedlichen Pfaden der Messbrücke verschaltet sein. Die drei Elemente sind mit weiteren, vorzugsweise ebenfalls von der sensitiven Schicht gebildeten, aber nicht mit Kraft beaufschlagten Elementen zu der Vollbrücke verschaltet.In one embodiment, a measuring element formed by the sensitive layer is arranged in each case at the three positions between the substrate and the force introduction element. These measuring elements can be connected electrically suitably, preferably already on the substrate, in order to achieve a high signal level. For example, several measuring elements can be connected in the form of a half bridge or in the form of a full bridge. In the case of a full bridge, at least two of the three elements can be interconnected in different paths of the measuring bridge. The three elements are interconnected with further, preferably also formed by the sensitive layer, but not acted upon by force elements to the full bridge.
In einer Ausführungsart ist das Krafteinleitungselement durch eine Fügetechnik mittelbar oder unmittelbar mechanisch fest und unlösbar, jedenfalls zerstörungsfrei nicht-lösbar, mit der sensitiven Schicht verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Lotschicht oder eine Klebeschicht erfolgen. Im Falle einer Lotschicht kann vorzugsweise eine Metallisierung zwischen der sensitiven Schicht und der Lotschicht angeordnet sein. Außerdem kann eine Isolationsschicht oder ein Isolationsschichtensystem zwischen der sensitiven Schicht und der Metallisierung angeordnet sein.In one embodiment, the force introduction element by a joining technique is directly or indirectly mechanically fixed and insoluble, non-destructively non-destructive, connected to the sensitive layer. The connection can be made for example by a solder layer or an adhesive layer. In the case of a solder layer, a metallization may preferably be arranged between the sensitive layer and the solder layer. In addition, an insulating layer or an insulation layer system may be arranged between the sensitive layer and the metallization.
In einer Ausführungsart ist zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement mindestens eine Isolationsschicht angeordnet, insbesondere in dem Fall, dass das Krafteinleitungselement selbst oder Teile hiervon elektrisch leitfähig sind, oder dass eine Verbindung zwischen dem Krafteinleitungselement und der sensitiven Schicht elektrisch leitfähig ist.In one embodiment, at least one insulating layer is arranged between the sensitive layer and the force introduction element, in particular in the case that the force introduction element itself or parts thereof are electrically conductive, or that a connection between the force introduction element and the sensitive layer is electrically conductive.
In einer Ausführungsart ist zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement eine Metallschicht und/oder eine Lot- oder Klebeschicht angeordnet. Die Metallschicht und/oder die Lot- oder Klebeschicht ist vorzugsweise strukturiert und weiterhin vorzugsweise nur im Bereich der sensitiven Schicht oder im Bereich der aus der sensitiven Schicht gebildeten Messelemente vorgesehen. Die Ausdehnung der Metallschicht und/oder der Lot- oder Klebeschicht kann die Krafteinleitungsfläche definieren.In one embodiment, a metal layer and / or a solder or adhesive layer is arranged between the sensitive layer and the force introduction element. The metal layer and / or the solder or adhesive layer is preferably structured and furthermore preferably provided only in the region of the sensitive layer or in the region of the measuring elements formed from the sensitive layer. The expansion of the metal layer and / or the solder or adhesive layer may define the force introduction surface.
In einer Ausführungsart ist die sensitive Schicht eine piezoresistive Schicht, die eine in die sensitive Schicht eingeleitete Kraft in eine Änderung des elektrischen Widerstandes wandelt. Als piezoresistive Schichten können beispielsweise Schichten aus einer geeigneten Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierung, Polysilicium-Schichten, DLC(Diamond Like Carbon)-Schichten, Metall-dotierte Kohlenstoffschichten oder auch Nano-Ni@C-Schichten, wie sie beispielsweise aus der
In einer Ausführungsart ist das Substrat biegesteif. Dadurch übt das Substrat als Reaktio auf die über das Krafteinleitungselement in die sensitive Schicht eingeleitete und damit auch auf das Substrat wirkende Kraft eine Gegenkraft auf die sensitive Schicht aus, vorzugsweise von einer Seite der sensitiven Schicht, die dem Krafteinleitungselement gegenüberliegt. Insbesondere weist die Vorrichtung keinen Verformungskörper wie beispielsweise eine biegsame Membran auf, sondern die Kraft wirkt von beiden oder gegebenenfalls auch von mehr als zwei Seiten oder von allen Seiten auf die sensitive Schicht ein.In one embodiment, the substrate is rigid. As a result, the substrate exerts a counterforce on the sensitive layer as a reaction to the force introduced via the force introduction element into the sensitive layer and thus also acting on the substrate, preferably from one side of the sensitive layer which is opposite to the force introduction element. In particular, the device has no deformation body such as a flexible membrane, but the force acts on the sensitive layer of both or possibly also of more than two sides or from all sides.
Aus der sensitiven Schicht sind mindestens zwei oder sogar mindestens vier Elemente gebildet, insbesondere mindestens zwei oder mindestens vier piezoresistive Widerstände, die vorzugsweise bereits auf dem Substrat zu einer Messbrücke verschaltet sind, insbesondere zu einer Halbbrücke oder einer Vollbrücke. In einer Ausführungsart wären bereits zwei aus der sensitiven Schicht gebildete Messelemente ausreichend, bei Anwendung der Dreibein- oder Tripod-Ankopplung des Krafteinleitungselements an die Messelemente drei solche Messelemente, die aus der sensitiven Schicht gebildet sind; die weiteren Elemente der Messbrücke müssen nicht unbedingt aus dem Werkstoff der sensitiven Schicht gebildet sein. Wenn auch die nicht mit der Kraft beaufschlagten Elemente des Messbrücke aus der sensitiven Schicht hergestellt sind, wird ein geringes Offset-Signal und/oder ein geringer Temperaturkoeffizient des Offset-Signals erreicht. Vorzugsweise sind die Messelemente und/oder die weiteren Elemente der Messbrücke mäanderförmig durch eine entsprechende fotolithografische Strukturierung der ursprünglich ganzflächig aufgebrachten sensitiven Schicht hergestellt.At least two or even at least four elements are formed from the sensitive layer, in particular at least two or at least four piezoresistive resistors, which are preferably already connected to a measuring bridge on the substrate, in particular to a half bridge or a full bridge. In one embodiment, two measuring elements formed from the sensitive layer would already be sufficient, when using the tripod or tripod coupling of the force introduction element to the measuring elements three such measuring elements, which are formed from the sensitive layer; the other elements of the measuring bridge need not necessarily be formed from the material of the sensitive layer. If the elements of the measuring bridge which are not subjected to the force are also produced from the sensitive layer, a low offset signal and / or a low temperature coefficient of the offset signal is achieved. Preferably, the measuring elements and / or the further elements of the measuring bridge are meander-shaped produced by a corresponding photolithographic structuring of the originally applied over the entire surface sensitive layer.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the subclaims and the following description in which several embodiments are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination.
Die
Die Kraft
In der Darstellung der
Auf der Isolationsschicht
Die
Die Isolationsschicht
Die
Die Messbrücke besteht aus insgesamt vier Widerständen
Die
An jeder der drei Krafteinleitungsflächen
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