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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor mit einem flächigen Grundkörper sowie einem flächigen, elastisch nachgebenden Membrankörper. Bei bekannten Kraftsensoren liegt der Membrankörper über einen oder mehrere Abstandhalter an dem flächigen Grundkörper an, so dass zwischen dem Membrankörper und dem flächigen Grundkörper ein Hohlraum ausgebildet ist, der von einer Seite des Membrankörpers und einer Seite des flächigen Grundkörpers begrenzt ist. Bei einer Krafteinwirkung auf den Membrankörper ändert sich das Volumen des Hohlraums. Im Allgemeinen weisen die den Hohlraum begrenzenden Flächen des flächigen Grundkörpers und des Membrankörpers eine metallische Schicht oder Beschichtung aus und bilden so sich einander gegenüberliegende Elektroden eines Messkondensators mit einer Messkapazität aus. Der Hohlraum wird beispielsweise mit Luft als Dielektrikum ausgefüllt.
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Da der Membrankörper eine gewisse, elastische Flexibilität aufweist, reagiert er auf eine Krafteinwirkung mit einer Durchbiegung. Dadurch wird der Abstand der Elektroden zueinander verändert und somit die Kapazität des durch den Hohlraum bzw. die Elektroden definierten Kondensators. Entsprechende kapazitive Kraftsensoren sind häufig Teil einer Elektronik, so dass es bekannt ist, den flächigen Grundkörper samt zugehöriger Elektrode aus einer Leiterplatte auszubilden, wie es beispielsweise aus der
US 5,134,886 A bekannt ist.
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Nachteilig bei diesen Kraftsensoren ist, dass die Durchbiegung unter Krafteinwirkung des Membrankörpers auch dessen elektrische Kontaktierung mit dem flächigen Grundkörper mechanisch beansprucht. Es hat sich gezeigt, dass in dem Übergangsbereich zwischen Membrankörper und flächigen Grundkörper vorgesehene stoffschlüssige Verbindung, wie eine Lotverbindung bei den herkömmlichen Kraftsensoren einer großen Beanspruchung unterliegt und somit die Gefahr besteht, dass diese Verbindung nicht dauerhaft ist.
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Es besteht daher Bedarf nach einem kapazitiven Kraftsensor, bei dem die elektrische Kontaktierung bei gleichzeitig hoher mechanischer und thermischer Robustheit des Kraftsensors dauerhaft haltbar ausgelegt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Kraftsensor gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 11 gelöst. Eine entsprechend vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Verwendungsanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Kraftsensor. Der erfindungsgemäße kapazitive Kraftsensor weist einen flächigen Grundkörper sowie einen flächigen, elastisch nachgebenden und/oder elastisch nachgebend gelagerten Membrankörper auf. Erfindungsgemäß sind zwei beabstandet zueinander angeordnete Abstandhaltern zwischen dem flächigen Grundkörper und dem Membrankörper vorgesehen, wobei sich der Membrankörper über die Abstandhalter an dem flächigen Grundkörper lose abstützt. Ein loses Abstützen meint ein An- oder Aufliegen der Abstandhalter an dem flächigen Grundkörper, ohne dass Befestigungsmittel zwischen dem Abstandhalter und dem flächigen Grundkörper vorgesehen sind. Zwischen dem Membrankörper und dem flächigen Grundkörper ist im Bereich zwischen den Abstandhaltern ein Hohlraum ausgebildet ist, um bei einer Krafteinwirkung F, beispielsweise einer in Richtung des flächigen Grundkörpers wirkenden Betätigungskraft, auf den Membrankörper im Bereich zwischen den Abstandhaltern eine Verlagerung, wie ein Durchbiegen, des Membrankörpers zu gestatten. Flächig” im Sinne der Erfindung meint einen Körper, der in zwei Dimensionen Abmessungen aufweist, die erheblich größer, beispielsweise wenigstens um den Faktor 10 größer sind als in der verbleibenden Dimension. Beispielsweise beträgt die Abmessung des Membrankörpers in dieser zuletzt genannten Dimension weniger als 2 mm, beispielsweise 1,5 oder 1,0 mm noch bevorzugter weniger als 1 mm, beispielsweise 0,5 mm. Der Membrankörper ist bei beispielweise als rechteckiges Flächengebilde ausgebildet.
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Erfindungsgemäß bildet der Membrankörper eine erste Elektrode aus, beispielsweise durch eine Beschichtung des Membrankörpers aus leitfähigem Material oder indem der Membrankörper aus leitfähigem Material hergestellt ist. An dem flächigen Grundkörper ist erfindungsgemäß eine zweite Elektrode ausgebildet, beispielsweise durch eine Beschichtung aus leitfähigem Material. Erste und zweite Elektrode definieren einen ersten Messkondensator mit sich mit der Krafteinwirkung F ändernder Messkapazität. Zur elektrischen Kontaktierung der ersten Elektrode ist wenigstens ein sich von jeweils einem der Abstandhalter erstreckender Ausleger vorgesehen, der einen Fuß zur Anlage am flächigen Grundkörper ausbildet. Erfindungsgemäß ist der Ausleger über den Fuß am flächigen Grundkörper stoffschlüssig verbunden, bevorzugt verlötet. Der Ausleger weist erfindungsgemäß zwischen dem Abstandhalter und dem Fuß einen lichten Abstand zum Grundkörper bereitstellenden Bogen zur elastisch nachgebenden Befestigung des Membrankörpers am flächigen Grundkörper auf. Beispielsweise wird der Bogen durch zwei zur Anlagefläche des flächigen Grundkörpers gewinkelte Abschnitte des Auslegers definiert.
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Durch die Verlagerung der Befestigung zwischen Membrankörper und flächigem Grundkörper in den Bereich des Auslegers und durch die bogenförmige, elastisch nachgebende Ausbildung des Auslegers wird die Befestigung und die zur elektrische Kontaktierung notwendige Verbindung von der zu detektierenden Krafteinwirkung mechanisch weitgehend entkoppelt, so dass es zu keiner nennenswerten mechanischen Krafteinwirkung auf den Fuß und dessen Verbindung zum flächigen Grundkörper kommt, während das lose Aufliegen der Abstandhalter die zuverlässige Verlagerung bzw. Verformung des Membrankörpers und damit eine zuverlässige, d. h. sich zuverlässig wiederholend einstellende Veränderung der Messkapazität gewährleistet.
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Eine mechanische Trennung dieser Befestigung und damit elektrischen Kontaktierung unter Totalausfall des Kraftsensors ist damit ausgeschlossen.
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Der Ausleger verhindert ferner einen zu hohen Wärmeeintrag in den Membrankörper beim Verlöten des Fußes mit dem flächigen Grundkörper.
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Bevorzugt ist der Fuß durch Verlöten, beispielweise im Reflow-Verfahren, im Wellen- oder Schwallbad, mit dem flächigen Grundkörper verbunden. Der Fuß weist beispielsweise eine Fläche von mehr als 2 mm2 auf. Bevorzugt ist der Fuß verlötbar beschichtet, beispielsweise goldbeschichtet. Um eine haltbare Verlötung und ein flaches Aufliegen des Fußes zu gewährleisten, weist der Ausleger jeweils ein sich an den Fuß anschließendes, freies Ende auf, welches sich weg von dem Grundkörper erstreckt. Beispielsweise ist das Ende gekröpft.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftsensors ist der flächige Grundkörper eine Leiterplatte und die zweite Elektrode wird durch eine metallische Beschichtung oder eine metallische Schicht der Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplatte im Sinne der Erfindung weist ein nichtleitendes, ein- oder mehrlagiges Leiterplattensubstrat mit darauf aufgebrachten oder darin eingebrachten leitenden, bevorzugt metallischen Schichten auf. Die zweite Elektrode ist beispielsweise unterhalb des Membrankörpers und bevorzugt auf der dem Membrankörper zugewandten Oberfläche der Leiterplatte angeordnet. Die leitende Schicht ist gemäß einer anderen Ausgestaltung in das Leiterplattensubstrat eingebettet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, die leitende Beschichtung ferner mit einem nichtleitenden Schutzlack zu überziehen. Die metallische Beschichtung ist beispielsweise eine Kupferbeschichtung, die auf der dem Membrankörper zugewandten Oberfläche des Leiterplattensubstrats vorgesehen ist. Die Kupferschicht kann zusätzlich vergoldet sein. Diese leitende Schicht oder Beschichtung definiert die zweite Elektrode der wenigstens zwei Elektroden des durch den Kraftsensor bereitgestellten Kondensators mit kraftabhängiger Messkapazität.
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Bevorzugt ist der kapazitive Kraftsensor so ausgelegt, dass sich mit zunehmender, den Membrankörper auf den flächigen Grundkörper drückender Krafteinwirkung die Messkapazität vergrößert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei keiner Krafteinwirkung der maximale lichte Abstand zwischen Membrankörper und flächigem Grundkörper nicht mehr als 0,25 mm, bevorzugt nicht mehr als 0,1 mm beträgt.
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Zur Vereinfachung der Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftsensors und zur vereinfachten elektrischen Kontaktierung ist der Membrankörper ein federelastisches, die erste Elektrode des Kraftsensors ausbildendes Metallteil. Der Membrankörper ist bevorzugt ein Blechteil, noch bevorzugter ein Federstahlblechstreifen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Membrankörper und die Abstandhalter einstückig ausgebildet. Bevorzugt sind die Abstandhalter in den Membrankörper in einem formgebenden Prägeverfahren eingeprägt.
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Beispielsweise sind die Abstandhalter als parallel zueinander verlaufende Sicken in den als Blechteil ausgebildeten Membrankörper eingeprägt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind zwischen Membrankörper und den Abstandhaltern Materialschwächungen, wie Durchbrüche, vorgesehen. Dadurch wird die mit der Krafteinwirkung einhergehende elastische Verformung auf den Übergangbereich zwischen Abstandhalter und Membrankörper lokalisiert, wobei eine möglichst parallele Verlagerung des Membrankörpers und damit eine ausgeprägte Veränderung der Messkapazität bewirkt wird, was die Detektionsgenauigkeit des Kraftsensors verbessert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist an jedem Abstandhalter ein Ausleger vorgesehen, die sich jeweils entlang des Umfangs des Membrankörpers, bevorzugt in gleicher Umlaufrichtung, erstrecken. Dadurch kann Bauraum eingespart werden. Beispielsweise erstrecken sich die Ausleger jeweils entlang der Umfangsbereiche des Membrankörpers, an dem keine Abstandhalter vorgesehen sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist wenigstens der Membrankörper, bevorzugt sind der Membrankörper, die Abstandhalter und der wenigstens eine Ausleger als Stanzteil hergestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist wenigstens eine den Membrankörper wenigstens teilweise überdeckende, dritte Elektrode vorgesehen, die auf der dem flächigen Grundkörper abgewandten Seite des Membrankörpers und elektrisch isoliert zum Membrankörper angeordnet ist, wobei erste und dritte Elektrode einen zweiten Messkondensator mit sich mit der Krafteinwirkung F ändernder Messkapazität definieren. Beispielsweise wird die dritte Elektrode ebenfalls durch ein Blechteil, bevorzugt metallisches Blechteil, ausgebildet. Die parallele Detektion einer zusätzlich sich ändernden Messkapazität wird in einer Ausgestaltung zur Verifizierung der Detektion herangezogen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Bedienelement, welches einen kapazitiven Kraftsensor in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sowie ein bewegliches, eine Betätigungsfläche definierendes Betätigungsteil, welches auf den Membrankörper einwirkt, sowie eine Auswerteinheit, um eine am Betätigungsteil anliegende Betätigungskraft mittels des kapazitiven Kraftsensors zu messen, aufweist. Beispielsweise weist das Betätigungsteil ferner eine berührungsempfindliche Fläche auf, um eine ortsauflösende Berührdetektion durchzuführen, während die Betätigungskraft durch den kapazitiven Kraftsensor gemessen wird.
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Bevorzugt weist der Membrankörper eine zentrale Erhebung auf und zwischen dem Betätigungsteil und der Erhebung ist ein an der Erhebung anliegender Stößel vorgesehen. Dadurch wird eine möglichst punktförmige und weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Stößels sich ergebende Anlage zwischen Stößel und Membrankörper erreicht. Der Stößel kann ferner eine verschleißmindernde Beschichtung aufweisen. Diese Erhebung dient dazu einen definierten Punkt für die Krafteinwirkung zu haben. Positionstoleranzen der Leiterplatte zur Mechanik sowie die Ungenauigkeiten aus dem Bestück- und Lötprozess werden so eliminiert. Außerdem können so Ausrichttoleranzen des Stößels ausgeglichen werden.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bedienelements in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich bevorzugte Ausführungsvarianten dar. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1;
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2 eine Seitenansicht der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1;
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3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bedienelements 10;
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4 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1. Dieser weist einen flächigen Grundkörper 3 in Form einer Leiterplatte auf. Auf diesem flächigen Grundkörper 3 ist ein aus Federstahl gestanztes und geprägtes Blechteil angeordnet, dieses Blechteil bildet einen im Wesentlichen flächigen Membrankörper 2, zwei seitliche Ausleger 5, 5' und zwei Abstandhalter 4a, 4b aus, die somit einstückig verbunden sind. Der Membrankörper 2 ist wie in 2 gezeigt in einem lichten Abstand und dabei einen Hohlraum 8 ausbildend über dem flächigen Grundkörper 3 angeordnet. Wie weiter in 1 und 2 gezeigt, stützt sich der Membrankörper 2 über an zwei gegenüberliegenden Kanten des Membrankörpers 2 vorgesehene Abstandhalter 4a und 4b am flächigen Grundkörper 3 ab. Der Übergang zwischen dem Membrankörper 2 zu dem jeweiligen Abstandhalter 4a beziehungsweise 4b ist mit mehreren Durchbrüchen 6 versehen, wodurch sich Materialschwächungen in Form von Stegen 9 ergeben, die in diesem Bereich eine erhöhte Nachgiebigkeit des Membrankörpers 2 bereithalten.
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Im Zentrum weist der Membrankörper 2 eine kuppelförmige Erhebung 7 auf, die einen Angriffspunkt für eine durch den Kraftsensor 1 zu messende in Richtung des flächigen Grundkörpers 3 gerichtete Einwirkkraft definiert. Im Falle einer einwirkenden Kraft sorgen die Stege 9 für eine annähernd parallele Verlagerung des Membrankörpers 2 entgegen einer sich durch das Material ergebenden elastischen Rückstellkraft. Die streifenförmigen Abstandhalter 4a, 4b liegen dabei lose auf dem flächigen Grundkörper 3 auf, so dass deren Verlagerung in einer zur Anlagefläche des flächigen Grundkörpers 3 parallelen Richtung bei Einwirken der zu messenden Kraft ermöglicht ist. Während auf dem flächigen Grundkörper 3, d. h. der Leiterplatte eine leitende Schicht 3a eine zweite Elektrode ausbildet, wird die erste Elektrode durch das aus leitendem Material, hier Federstahl, bestehende Blechteil, insbesondere den Membrankörper 2 definiert. Diese bilden bei Spannungsbeaufschlagung durch eine nicht näher dargestellte Auswerteinheit eine Messkapazität aus, die mit der Kraftbeaufschlagung und der Annäherung des Membrankörpers 2 an den flächigen Grundkörper 3 variiert. Zur elektrischen Kontaktierung des Membrankörpers 2 und damit der ersten Elektrode ist an den Abstandhaltern 4a, 4b jeweils ein seitlicher Ausleger 5 beziehungsweise 5' vorgesehen, der jeweils einstückig mit dem zugehörigen Abstandhalter 4a, 4b verbunden ist. Die Ausleger 5, 5' sind identisch ausgebildet und somit auch identisch dimensioniert und erstrecken sich entlang zweier gegenüberliegender Kanten entlang des Umfangs des Membrankörpers 3, genauer: an den Kanten an denen kein Abstandhalter 4a, 4b vorgesehen ist, wobei die Umlaufrichtung, d. h. deren Verlauf in Richtung des zugehörigen freien Endes für die beiden Ausleger jeweils gleich ist.
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Der Ausleger 5, 5' weist jeweils einen Fuß 5b auf, der mit einer zugehörigen metallischen Schicht 3b des flächigen Grundkörpers 3, hier der Leiterplatte, verlötet ist. Zur mechanischen Entkopplung des Fußes 5b bzw. der zugehörigen Verlötung bildet der Ausleger 5 bzw. 5' jeweils einen lichten Abstand zum Grundkörper 3 bereitstellenden Bogen aus, der sich jeweils aus den bezüglich der Anlagefläche des flächigen Grundkörpers gewinkelten Abschnitten 5a, 5c des Auslegers 5, 5' ergibt. Diese Bogen sorgt für eine elastische Flexibilität des Auslegers 5, 5' in dem Bereich zwischen Fuß 5b und zugehörigem Abstandhalter 4a, 4b und entlastet die Verlötung des Fußes 5b bei mechanischer Beanspruchung des Kraftsensors 1.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Bedienelement 10 unter Verwendung des in 1 gezeigten Kraftsensors 1. Dieses weist ein eine Betätigungsfläche 11a definierendes, beweglich gegenüber dem flächigen Grundkörper 3 gelagertes Betätigungsteil 11 auf. Dieses bildet einen Stößel 12 aus, der an seinem freien, für das Zusammenwirken mit dem Kraftsensor vorgesehenen Ende eine Beschichtung aus einem im Vergleich zum Material des Stößels 12 nachgiebigerem Material zur Verschleißminderung und Spielfreistellung aufweist. Im Zentrum weist der Membrankörper 2 wiederum eine kuppelförmige Erhebung 7 auf, die einen Angriffspunkt den Stößel 12 und die über das Betätigungsteil aufgebrachte und zu messende in Richtung des flächigen Grundkörpers 3 gerichtete Einwirkkraft definiert. Im Falle einer einwirkenden Kraft kommt es zu einer annähernd parallelen Verlagerung des Membrankörpers 2 entgegen einer sich durch das Material des Membrankörpers 2 ergebenden elastischen Rückstellkraft. Die streifenförmigen Abstandhalter 4a, 4b liegen dabei lose auf dem flächigen Grundkörper 3 auf, so dass deren Verlagerung in einer zur Anlagefläche des flächigen Grundkörpers 3 parallelen Richtung bei Einwirken der zu messenden Kraft ermöglicht ist, wie durch den Doppelpfeil angedeutet. Während auf dem flächigen Grundkörper 3, d. h. der Leiterplatte eine leitende Schicht 3a eine zweite Elektrode ausbildet, wird die erste Elektrode durch das aus leitendem Material, hier Federstahl, bestehende Blechteil, insbesondere den Membrankörper 2 definiert. Diese bilden bei Spannungsbeaufschlagung durch eine nicht näher dargestellte Auswerteinheit eine Messkapazität aus, die mit der Kraftbeaufschlagung und der Annäherung des Membrankörpers 2 an den flächigen Grundkörper 3 variiert. Zur elektrischen Kontaktierung des Membrankörpers 2 und damit der ersten Elektrode ist an den Abstandhaltern 4a, 4b jeweils ein seitlicher Ausleger 5 beziehungsweise 5' vorgesehen, der einstückig mit dem zugehörigen Abstandhalter 4a, 4b verbunden ist.
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Zur elektrischen Kontaktierung des Membrankörpers 2 und damit der ersten Elektrode ist an den Abstandhaltern 4a, 4b jeweils ein seitlicher Ausleger 5 vorgesehen, der jeweils einstückig mit dem zugehörigen Abstandhalter 4a, 4b verbunden ist und die identisch ausgebildet und dimensioniert sind.
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Der Ausleger 5 weist jeweils einen Fuß 5b auf, der mit einer zugehörigen metallischen Schicht 3b des flächigen Grundkörpers 3, hier der Leiterplatte, verlötet ist. Zur mechanischen Entkopplung des Fußes 5b bzw. der zugehörigen Verlötung bildet der Ausleger 5 jeweils einen lichten Abstand zum Grundkörper 3 bereitstellenden Bogen aus, der sich aus den bezüglich der Anlagefläche des flächigen Grundkörpers gewinkelten Abschnitten 5a, 5c des Auslegers 5 ergibt. Diese Bogen sorgt für eine elastische Flexibilität des Auslegers 5 in dem Bereich zwischen Fuß 5b und zugehörigem Abstandhalter 4a, 4b und entlastet die Verlötung des Fußes 5b bei mechanischer Beanspruchung. Der Ausleger 5 weist jeweils ein sich an den Fuß 5b anschließendes, freies Ende 5d auf, welches sich weg von dem Grundkörper 3 erstreckt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1, die sich insoweit von der in 1 gezeigten Ausführungsform unterscheidet, dass eine weitere, zur ersten und zweiten elektrisch isolierte, dritte Elektrode in Form eines metallischen Blechteils 13 vorgesehen ist. Diese überdeckt den Membrankörper 2 wenigstens teilweise und ist auf der dem flächigen Grundkörper 3 abgewandten Seite des Membrankörpers 2 und elektrisch isoliert, beispielsweise einen Luftspalt zum Membrankörper 2 einhaltend, angeordnet. Erste und dritte Elektrode 13 definieren einen zweiten Messkondensator mit sich mit der Krafteinwirkung F ändernder Messkapazität. Um die Krafteinwirkung auf den Membrankörper 2 zu ermöglichen, weist die dritte Elektrode 13 einen Durchbruch 13a auf, der von der kuppelförmigen Erhebung 7 des Membrankörpers 3 durchgriffen wird. Die parallele Detektion einer zusätzlich sich ändernden Messkapazität wird in einer Ausgestaltung zur Verifizierung der Detektion herangezogen und ergibt somit eine teilweise redundante Auslegung des Kraftsensors 1.
