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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Erfassen von physikalischen Größen, wie Kraft, Druck, Drehmoment oder auch Kombinationen dieser physikalischen Größen. Erfasst werden die durch die Messgröße hervorgerufenen Deformationen eines Verformungskörpers. Diese Deformationen werden mit Hilfe einer Messbrückenschaltung in elektrische Messsignal umgewandelt.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Sensorelementen für eine derartige Messvorrichtung.
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Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Messvorrichtung mit einem metallischen Verformungskörper und mit mindestens einem kraftschlüssig mit dem Verformungskörper verbundenen Sensorelement zum Erfassen von Deformationen des Verformungskörpers bzw. der diese Deformationen hervorrufenden Kräfte. Der metallische Grundkörper des Sensorelements besteht vorzugsweise aus demselben Material wie der Verformungskörper, wie z.B. aus Stahl. Zumindest ein Bereich der Oberfläche des metallischen Grundkörpers des Sensorelements ist flächig. Auf diesem flächigen Oberflächenbereich ist mindestens eine Messbrückenschaltung in Dünnschichttechnik realisiert. Der metallische Grundkörper ist über eine Schweißverbindung mit dem Verformungskörper verbunden.
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Eine derartige Messvorrichtung wird in der
DE 10 2008 041 772 A1 beschrieben. Das Sensorelement besteht hier aus einem metallischen Grundkörper, der topfförmig mit einem Verbindungsflansch im Randbereich ausgebildet ist. Die Außenseite des Topfbodens bildet eine flächige Oberfläche, auf der die Widerstände einer Messbrückenschaltung in Dünnschichttechnik realisiert sind. Im Verformungskörper der bekannten Messvorrichtung ist eine Ausnehmung ausgebildet, deren Geometrie und Größe den Abmessungen des Sensorelementgrundkörpers im Flanschbereich entsprechen. Das Sensorelement ist in diese Ausnehmung des Verformungskörpers eingefügt und umlaufend über eine Schweißverbindung mit dem Verformungskörper verbunden, die sich über die gesamte Fläche des Flanschbereichs erstreckt.
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Die bekannte Messvorrichtung zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit bei langer Lebensdauer aus, da die Widerstände der Messbrückenschaltung in Dünnschichttechnik auf einem flächigen Oberflächenbereich des Sensorelements realisiert sind, so dass sie fest, quasi auf atomarer Ebene mit dem metallischen Grundkörper des Sensorelements verbunden sind. Messwertverfälschungen, bedingt durch eine mechanische Trennung der Widerstände vom Grundkörper, treten hier nicht auf.
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Allerdings ist die Herstellung des Sensorelements der bekannten Messvorrichtung relativ aufwendig. So erfordert die Fertigung des Grundkörpers einen dreidimensionalen Formungs- bzw. Strukturierungsprozess des metallischen Ausgangsmaterials. Dabei wird unter anderem der Verbindungsbereich für die kraftschlüssige Verbindung mit dem Verformungskörper präpariert. Der Grundkörper muss dann in einer für den Dünnschichtprozess geeigneten Weise positioniert bzw. ausgerichtet und fixiert werden. Deshalb gestaltet sich eine Massenproduktion derartiger Sensorelemente als schwierig. Die dreidimensionale Form des Sensorelements stellt außerdem gewisse Anforderungen an die Geometrie und Größe des zur Verfügung stehenden Platzes, was die Einsatzmöglichkeiten der bekannten Messvorrichtung einschränkt. Zudem muss auch der Verformungskörper für die kraftschlüssige Verbindung mit dem Sensorelement speziell präpariert werden. Es muss nämlich eine passgenaue Ausnehmung für das Sensorelement erzeugt werden, was einen zusätzlichen Fertigungsschritt erfordert.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die sich sehr einfach auch in großen Stückzahlen herstellen lässt und für unterschiedlichste Anwendungen konfigurierbar ist.
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Erfindungsgemäß ist diese Messvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem metallischen Grundkörper des Sensorelements um einen blechartigen Träger mit nur zwei Hauptoberflächen handelt, dass die mindestens eine Messbrückenschaltung auf der einen Hauptoberfläche des blechartigen Grundkörpers realisiert ist, und dass auf der anderen Hauptoberfläche des blechartigen Grundkörpers eine Montagestruktur ausgebildet ist, die an die Oberflächenform des Verformungskörpers im Verbindungsbereich angepasst ist, so dass das Sensorelement mit der Montagestruktur auf der Oberfläche des Verformungskörpers aufsitzt.
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Dementsprechend geht das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Sensorelementen für derartige Messvorrichtungen von einem Stahlblech als Träger für eine Rasteranordnung von Sensorelementen aus. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine Bearbeitung der Rückseite des Stahlblechs, bei der für jedes Sensorelement eine Montagestruktur erzeugt wird, deren Form an die Ausformung des Verbindungsbereichs eines Verformungskörpers angepasst ist, und eine Bearbeitung der Vorderseite bzw. Oberseite des Stahlblechs, bei der für jedes Sensorelement mindestens eine Messbrückenschaltung in Dünnschichttechnik erzeugt wird. Erst nach diesen beiden Bearbeitungsschritten werden die Sensorelemente mechanisch vereinzelt.
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Die Verwendung eines blechartigen Grundkörpers für das Sensorelement einer Messvorrichtung der hier in Rede stehenden Art ist in mehrerlei Hinsicht von Vorteil. Zum einen können Dünnschichtprozesse zur Realisierung von Messbrückenschaltungen sehr einfach auf die Oberfläche eines flächigen Blechs appliziert werden. Zum anderen eignen sich flächige Bleche auch sehr gut als Träger für Montagestrukturen, die in Position und Geometrie genau definiert sein sollen. In jedem Fall beschränkt sich die Bearbeitung eines blechartigen Grundkörpers auf eine Vorderseiten- und eine Rückseitenprozessierung. Die Verwendung von großflächigen Blechen, auf denen eine Rasteranordnung von Sensorelementen angelegt wird, ermöglicht zudem eine sehr kostengünstige Massenproduktion von Sensorelementen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist, dass weder die Geometrie noch die Oberfläche des Verformungskörpers speziell für die Montage des Sensorelements präpariert werden müssen. Der Verformungskörper kann ohne große Einschränkungen für die jeweils vorgesehene Messsituation konzipiert werden. Aufgrund seiner flächigen Bauform spielt das Sensorelement dabei – wenn überhaupt – nur eine sehr untergeordnete Rolle.
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Grundsätzlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowohl was den Verformungskörper als auch was das Sensorelement betrifft. Wie bereits erwähnt, wird die Ausgestaltung des Verformungskörpers in erster Linie durch die angestrebte Verwendung, also die zu erfassende Messgröße und den Einsatzort, bestimmt. Die zu erfassende Messgröße wird in der Regel auch bei der Auslegung der Messbrückenschaltung eine Rolle spielen, während die Montagestruktur des Sensorelements an die äußere Form des Verformungskörpers angepasst werden muss.
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Bei der Realisierung des Sensorelements erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Messbrückenschaltung im Mittelbereich des Trägers angeordnet ist, während die Montagestruktur im Randbereich des Trägers angeordnet ist, so dass sich die Messbrückenschaltung und die Montagestruktur nicht überlappen. Durch diese räumliche Trennung können Messwertverfälschungen aufgrund von montagebedingten Spannungen im Verbindungsbereich des Sensorelements vermieden oder zumindest deutlich reduziert werden. Der Einfluss solcher montagebedingten Spannungen kann weiter dadurch reduziert werden, dass die Montagestruktur mindestens zwei voneinander beabstandete Strukturelemente umfasst und dass die einzelnen Strukturelemente der Montagestruktur jeweils seitlich von der mindestens einen Messbrücke angeordnet sind. Außerdem vereinfacht sich die Anpassung an die äußere Form des Verformungskörpers, wenn die Montagestruktur des Sensorelements mehrere räumlich voneinander beabstandete Strukturelemente umfasst.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Träger des Sensorelements streifenförmig und der Mittelbereich des Trägers mit der Messbrückenschaltung schmaler als die beiden Endbereiche des Trägers. Das Sensorelement ist hier über Montagestrukturelemente in den beiden Endbereichen des Trägers mit dem Verformungskörper verbunden. Die zu erfassenden Deformationen des Verformungskörpers werden in diesem Fall bevorzugt in den schmaleren Mittelbereich des Trägers eingeleitet, wo sich die Messbrückenschaltung befindet. Dies führt zu einer Messsignalverstärkung.
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Der Messsignalpegel hängt im Übrigen wesentlich von der Geometrie und Orientierung der Messwiderstände relativ zur Richtung der zu erwartenden Deformationen ab. Vergleichsweise hohe Messsignalpegel lassen sich erzielen, wenn die Messbrückenschaltung mindestens vier mäanderförmig ausgebildete Widerstände umfasst, die paarweise im Wesentlichen senkrecht zueinander und in Richtung der zu erwartenden Dehnungen und Stauchungen orientiert sind.
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Wie bereits eingangs erwähnt, dient die erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Erfassen von physikalischen Größen, wie Kraft, Druck, Drehmoment oder auch Kombinationen dieser physikalischen Größen. Dementsprechend kann der Verformungskörper für viele Anwendungen in Form eines Zug-/Druckstabes oder in Form eines Torsionsstabes realisiert sein. Von besonderem Vorteil ist der Einsatz der einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung im Rahmen eines Brennraumdrucksensors. In diesem Fall dient der Verformungskörper als Druckaufnehmer. Zwei Ausführungsvarianten dieser Anwendung werden nachfolgend in Verbindung mit den Figuren noch einmal näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
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1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Brennraumdrucksensor 101 mit einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und
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1b zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Brennraumdrucksensors 102, der in eine Glühstiftkerze integriert ist;
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2a–2d zeigen die Oberseite, die beiden Seitenansichten und die Unterseite eines Sensorelements 200 einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
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2e zeigt eine Schnittdarstellung dieses Sensorelements 200 in Verbindung mit einem Verformungskörpers in Form eines Rundstabes und
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2f zeigt eine Draufsicht auf die Messbrückenschaltung des Sensorelements 200;
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3 veranschaulicht das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren anhand einer Rasteranordnung 300 von Sensorelementen, wie in den 2a bis 2f dargestellt, die im Verbund auf einem Stahlblech angelegt werden.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Innerhalb des Brennraums eines Verbrennungsmotors herrschen Umgebungsbedingungen, insbesondere sehr hohen Temperaturen, die einer unmittelbaren Druckerfassung mit Hilfe eines Sensorelements innerhalb des Brennraums entgegenstehen, da sowohl die mechanischen Komponenten als auch die elektrischen Komponenten des Sensorelements irreversiblen Schaden nehmen würden. Die in den 1a und 1b dargestellten Sensoranordnungen 101 und 102 ermöglichen eine indirekte Erfassung des Brennraumdrucks.
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Dazu umfassen beide Sensoranordnungen 101 und 102 einen Stößel 10, der als Kraft- bzw. Druckaufnehmer dient und innerhalb eines Sensorgehäuses 100 gelagert ist. Das eine, hintere Ende 11 des Stößels 10 ist fest mit einer massiven Struktur des Sensorgehäuses 100 verbunden, im hier dargestellten Fall mit der Rückwand 111. Das andere, vordere Ende 12 des Stößels 10 ist beweglich in einer Führung 113 des Sensorgehäuses 100 gelagert. Dieses Stößelende 12 ist mit einer auslenkbaren Membran 112 verbunden, die das Sensorgehäuse 100 gegen den Brennraum 1 abdichtet. Bei der Membran 112 handelt es sich vorteilhafterweise um eine Faltenmembran, da derartige Membranen dem Brennraumdruck sehr gut standhalten, ohne die Krafteinwirkung auf das Stößelende 12 zu stark zu beeinflussen.
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Im Falle der in 1a dargestellten Ausführungsform ist das vordere Stößelende 12 endseitig mit der Membran 112 verbunden, so dass dieses Stößelende 12 über die Membran 112 mit dem Brennraumdruck F beaufschlagt wird. Da der Stößel 10 fest mit der Rückwand 111 des Sensorgehäuses 100 verbunden ist, bewirkt der Brennraumdruck F eine Deformation des Stößels 10. Der Stößel 10 wird hier hauptsächlich gestaucht, da die Führung 113 eine seitliche Auslenkung des Stößels 10 verhindert. Dadurch wird die Querempfindlichkeit der Sensoranordnung 101 deutlich reduziert.
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Bei dem Stößel 10 der Sensoranordnung 101 handelt es sich um einen Rundstab aus Stahl. Die Deformation des Stößels 10 wird mit Hilfe eines Sensorelements 200 erfasst, das auf der gerundeten Oberfläche des Rundstabs 10 positioniert und kraftschlüssig mit der Stahloberfläche verbunden ist. Das Sensorelement 200 ist im Bereich zwischen der Führung 113 und der Rückwand 111 angeordnet und befindet sich also innerhalb des Sensorgehäuses 100, das räumlich getrennt ist vom Brennraum 1. Konstruktive Details des Sensorelements 200 werden nachfolgend in Verbindung mit den 2a bis 2f näher erläutert.
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Im Fall der in 1b dargestellten Sensoranordnung 102 ist nur der hintere Abschnitt des Stößels 10 in Form eines Stahlrundstabs 14 realisiert. Der vordere Abschnitt des Stößels 10 wird hier durch eine Glühstiftkerze 15 gebildet, die durch die Membran 112 hindurch bis in den Brennraum 1 hineinragt. Die Glühstiftkerze 15 und der Stahlrundstab 14 sind kraftschlüssig miteinander verbunden, so dass der Brennraumdruck F hier über die Glühstiftkerze 15 in den Stahlrundstab 14 eingeleitet wird. Dadurch bedingt verformt sich der Stahlrundstab 14 wie im Fall der Sensoranordnung 101, was mit Hilfe eines Sensorelements 200 erfasst wird.
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Bei beiden hier dargestellten Sensoranordnungen 101 und 102 ist an der Außenkontur des Sensorgehäuses vorteilhafterweise ein Gewinde ausgebildet, über das die Sensoranordnungen jeweils in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden können. Zur Herstellung einer möglichst dichten Verbindung zwischen Sensorgehäuse und Zylinder können auch noch zusätzliche Dichtstrukturen vorgesehen sein, wie z.B. eine Beißkante im vorderen Bereich des Sensorgehäuses.
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Bei dem metallischen Grundkörper 210 des in den 2a bis 2f dargestellte Sensorelement 200 handelt es sich um einen streifenförmigen Stahlblechträger 210 mit nur zwei Hauptoberflächen, nämlich einer Vorder- bzw. Oberseite 201 und einer Rückseite 204. Wie in 2a angedeutet, befindet sich auf der Oberseite 201 des Trägers 210 eine Messbrückenschaltung 20, die in Dünnschichttechnik realisiert wurde. Die Rückseite 204 des Trägerblechs 210 ist mit einer Montagestruktur 30 versehen, die an die zylinderförmige Oberfläche des Stahlrundstab-Stößels 10 angepasst ist. Dies wird zum einen durch die beiden Seitenansichten 202 und 203 der 2b und 2c veranschaulicht und zum anderen durch 2e, in der die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Sensorelement 200 und dem Stößel 10 dargestellt ist, der hier als Verformungskörper fungiert. Die Montagestruktur 30 besteht aus zwei entsprechend geformten Montageelementen 31 und 32, die voneinander beabstandet, jeweils in den beiden Endbereichen des streifenförmigen Trägers 210 angeordnet sind. Das Sensorelement 200 sitzt mit den beiden Montageelementen 31 und 32 formschlüssig auf der gerundeten Staboberfläche des Stößels 10 auf und ist über Schweißverbindungen kraftschlüssig mit dem Stößel 10 verbunden. Die Schweißverbindungen können beispielsweise durch Schweißpunkte oder Schweißnähte hergestellt werden oder auch durch Widerstandsschweißen.
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Die Messbrückenschaltung 20 ist im Mittelbereich des streifenförmigen Trägers 210 angeordnet. Dieser Mittelbereich ist schmaler als die beiden Endbereiche des Trägers 210, wo die Montageelemente 31 und 32 angeformt sind. Die Montageelemente 31 und 32 sind also seitlich von der Messbrückenschaltung 20 positioniert, so dass sich der Sensorbereich und die Montagebereiche des Sensorelements 200 nicht überlappen. Die Messbrückenschaltung 20 umfasst hier vier jeweils mäanderförmig ausgebildete Widerstände 21 bis 24, die paarweise im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert sind und über Kontaktflächen 25 und Zuleitungen 26 elektrisch kontaktierbar sind, was in 2f dargestellt ist.
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Die einzelnen Komponenten der Messbrückenschaltung 20 sind in Dünnschichttechnik auf der Trägeroberseite 201 realisiert. Dazu wurde auf der Oberseite 201 des Stahlblechträgers 210 mindestens eine Isolationsschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, abgeschieden und darüber mindestens eine Funktionsschicht aus einem piezoresistiven Material, wie z.B. einer NiCr-Legierung, Platin, Polysilizium oder Titanoxinitrid. Aus der Funktionsschicht wurden dann mit geeigneten Strukturierungsverfahren, wie Nassätzen, Trockenätzen oder Laserabtragen, die zu einer Wheatstone’schen Messbrücke verschalteten Widerstände 21 bis 24, die Kontaktflächen 25 und die Zuleitungen 26 herausstrukturiert. Die mäanderförmigen Widerstände 21 bis 24 sind so angeordnet, dass sie paarweise auf Dehnungen und Stauchungen des Verformungskörpers 10 in senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen empfindlich sind. Die so strukturierte Funktionsschicht wurde dann noch mit einer Passivierschicht, beispielsweise aus Siliziumnitrid, versehen. Sie kann aber auch durch andere Maßnahmen, wie z.B. eine Vergelung geschützt werden. An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass sowohl die Kontaktflächen 25 als auch die Zuleitungen 26 alternativ auch in einer zusätzlichen Metallisierungsschicht ausgebildet werden können. Typischerweise wird eine so realisierte Messbrückenschaltung nach der Montage des Sensorelements am Verformungskörper mit Hilfe von Drahtbonds mit einer Auswerteschaltung verbunden, die sich auf einer gesonderten Platine befindet.
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Sensorelemente 200, wie sie in Verbindung mit den 2a bis 2f beschrieben worden sind, lassen sich einfach in großen Stückzahlen produzieren, wenn man von einem großflächigen Stahlblech als Träger für eine Rasteranordnung 300 von Sensorelementen 200 ausgeht. Die Oberseite eines solchen Trägers 310 ist in 3 dargestellt. Die einzelnen Sensorelemente 200 sind hier bereits angelegt. Dazu wurden nacheinander die Oberseite und die Rückseite des Trägers 310 prozessiert, wobei es hier nicht auf die Reihenfolge ankommt. Auf der vollständig ebenen Oberseite des Stahlblechs 310 wurde für jedes Sensorelement 200 eine Messbrückenschaltung 20 – wie voranstehend beschrieben in Dünnschichttechnik – erzeugt. Die Rückseite des Stahlblechs 310 wurde z.B. auf einem Bearbeitungszentrum mechanisch und/oder elektrochemisch bearbeitet, um für jedes Sensorelement 20 eine Montagestruktur 30 zu erzeugen, deren Form an die Ausformung der Oberfläche des Verformungskörpers angepasst ist. Erst danach werden die Sensorelemente 200 mechanisch vereinzelt. Dies kann durch Sägen, Wasserstrahlschneiden, Laserschneiden oder andere geeignete Verfahren erfolgen. Eine optimale Packungsdichte kann dann erzielt werden, wenn die Träger 210 der einzelnen Sensorelemente 200 so geformt sind, dass die Rasteranordnung 300 keine Zwischenräume aufweist, wie im hier dargestellten Fall.
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Das voranstehend beschriebene Fertigungskonzept auf Basis eines großflächigen Stahlträgers ermöglicht eine äußerst kostengünstige Massenproduktion von Sensorelementen, die sich aufgrund der dünnschichtbasierten Messbrückenschaltung durch eine gute Messgenauigkeit und eine sehr hoher Lebensdauer auszeichnen. Außerdem ermöglicht der flächige Aufbau der Sensorelemente und die individuell an die jeweilige Montagesituation angepasste Montagestruktur das Herstellen einer kraftschlüssigen Verbindung zu unterschiedlichst geformten Verformungskörpern, die zuverlässig über die gesamte Lebensdauer der Messvorrichtung Bestand hat.
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Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich beispielsweise für Kraftsensoren und Wägezellen mit einem Zug-/Druckstab als Verformungskörper. Hier führt die zu erfassende externe Kraft zu einer Stauchung des Druckstabs, die sich auf das angeschweißte Sensorelement überträgt. Dadurch verringert sich der Widerstand der parallel zur Krafteinleitung orientierten Messwiderständen, während die senkrecht zur Kraftrichtung orientierten Messwiderstände eine Widerstandserhöhung erfahren, weil sie durch die negative Querkontraktion gedehnt werden. Diese Widerstandsänderungen bewirken eine Veränderung der Ausgangsspannung der Messbrückenschaltung. Derselbe Effekt tritt bei einem Torsionsstab auf. Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung können aber auch Schermomente und andere mechanische Größen erfasst werden, wenn diese eine Dehnung oder Stauchung des Verformungskörpers der Messvorrichtung verursachen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041772 A1 [0004]
