DE102017101385B4

DE102017101385B4 - Kriechanpassung bei piezoresistiven Messstreifen

Info

Publication number: DE102017101385B4
Application number: DE102017101385.7A
Authority: DE
Inventors: Volker Relling
Original assignee: Minebea Intec GmbH
Current assignee: Minebea Intec GmbH
Priority date: 2017-01-25
Filing date: 2017-01-25
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2037-01-26
Also published as: DE102017101385A1

Abstract

Verfahren zur Kriechanpassung eines Kraftsensors, der aus einer Trägerfolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder der Deckfolie (DF) und einem piezoresistiven Messelement (PZ) besteht und der eingerichtet ist, um eine Kraft mittels des piezoresistiven Messelements (PZ) zu bestimmen, umfassend:
Bestimmen einer Nennlast (NL) für den Kraftsensor (KS, 1),
Auswählen einer Kombination von Materialien für eine Trägerfolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder Deckfolie (DF),
so dass der Kriechfehler des Kraftsensors bei einer ersten Materialdicke des Kraftsensors negativ ist und bei einer zweiten Materialdicke des Kraftsensors positiv ist, Festlegen einer Dicke der Trägerfolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder der Deckfolie (DF) so dass eine zeitliche Änderung einer vom Kraftsensor gemessenen Kraft bei der Nennlast minimal ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kriechanpassung eines Kraftsensors, einen entsprechenden Kraftsensor und ein Messsystem für den Kraftsensor.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Beim Einsatz von Dehnungsmessstreifen (DMS) bei hochgenauen Messaufgaben ist es üblich, die Länge der Umkehrpunkte am DMS zu variieren und so das Kriechen einzustellen. Unter Kriechen wird dabei die zeitliche Signalveränderung bei konstanter Last verstanden. Dabei wird davon ausgegangen, dass durch die Umkehrpunktslänge die Ankopplung an den Federköper und so das Verhältnis zwischen Rückstelleffekten im DMS-Klebersytem und mikroskopischen Fließeffekten im Federkörper verändert wird.
Beim Einsatz von piezoresistiven Messstreifen, z.B. auf der Basis von Manganin als resistiven Werkstoff, kann dieser Effekt nicht genutzt werden, da keine Dehnungen als Messeffekt vorliegt. Damit ist nach dem Stand der Technik der Einsatz als Kraftsensor für statische Kräfte bzw. Massen solcher Messstreifen eingeschränkt, da das Messsignal sich kontinuierlich verändert.
Aus dem Stand der Technik sind ferner verschiedene Ausführungen von Kraftsensoren bekannt. Ein beispielhafter Kraftsensor ist in der britischen Patentanmeldung mit der Publikationsnummer GB 2 326 719 A beschrieben. Der beispielhafte Kraftsensor nutzt einen oder mehrere druckempfindliche Widerstände, welche in Dickfilmtechnik auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. In einem Ausführungsbeispiel der Patentanmeldung ist ein Kraftsensor gezeigt, welcher sechs belastete Widerstände und zwei unbelastete Referenzwiderstände in einer Brückenschaltung zeigt.
BESCHREIBUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung die Signalveränderung an einem piezoresistiven Messelement bei konstanter Last so weit zu reduzieren, dass weitere Verfahren z.B. elektronische Verfahren unnötig werden bzw. nur noch sehr kleine Driften kompensieren müssen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Kraftsensor bereitzustellen. Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung ein System mit einem verbesserten Kraftsensor und einer Auswerteelektronik bereitzustellen. Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zur Kriechanpassung eines Kraftsensors bereitgestellt, der eingerichtet ist, um eine Kraft mittels eines piezoresistiven Messelements, insbesondere piezoresistiven Widerstands, zu bestimmen. Eine Trägerschicht und/oder eine Deckschicht sind auf gegenüberliegenden Seiten (Oberflächen) des piezoresistiven Messelements nach Arte eines Sandwich angeordnet. Die Trägerschicht kann zumindest eine Trägerfolie und zumindest eine Kleberschicht umfassen. Die Deckschicht kann zumindest eine Deckfolie und ggf. eine Kleberschicht umfassen. In einem ersten Schritt wird eine Nennlast für den Kraftsensor bestimmt bzw. vorgegeben. In einem anderen, ggf. zweiten Schritt wird mindestens ein Material der Trägerschicht und/oder Deckschicht ausgewählt. In einem weiteren Schritt wird eine Dicke der Trägerschicht und/oder der Deckschicht für die Nennlast derart festgelegt, dass für diese Dicke der Trägerschicht und/oder diese Dicke der Deckschicht eine zeitliche Änderung einer vom Kraftsensor gemessenen Kraft für die Nennlast minimal ist. Diese zeitliche Änderung der vom Kraftsensor gemessenen Kraft entspricht dem Kriechen. Dabei wird die Änderung vorteilhaft für Zeitspannen, die länger als einige Minuten, vorteilhaft länger als einige Stunden, noch vorteilhaft länger als einige Tage sind minimiert. Schließlich wird der Kraftsensors mit der Trägerschicht und/oder der Deckschicht mit der ermittelten Dicke ausgestaltet.
Vorteilhaft kann zunächst eine Kombination von Materialien für eine Trägerfolie und/oder Klebeschicht und/oder Deckfolie ausgewählt (oder ermittelt werden), so dass der Kriechfehler des Kraftsensors bei einer ersten Materialdicke des Kraftsensors negativ ist und bei einer zweiten Materialdicke des Kraftsensors positiv ist. Der Schritte können iterativ wiederholt werden, um einen günstigen Bereich einzugrenzen. Anschließend kann eine Dicke der Trägerfolie und/oder Klebeschicht und/oder der Deckfolie festgelegt werden, so dass eine zeitliche Änderung einer vom Kraftsensor gemessenen Kraft bei der Nennlast minimal ist.
Grundsätzlich kann vorteilhaft durch die Variation/Anpassung der Dicke der Trägerschicht bzw. der, Trägerfolie, der Kleberdicke bzw. Kleberwerkstoff und/oder durch Variation der Dicke der Deckschicht bzw. der Deckfolie das Kriechen für mindestens einen konstanten Druck bzw. Kraft (Nennlast) und bestimmte Materialien der Komponenten minimiert werden (ideal auf Null). Damit ist es z.B. möglich, einen Kraft- oder Bolzensensor so auszugestalten, dass bei der Nennlast (auch Nennvorspannung) ein Kriechen von nahe Null erreicht werden kann.
Obwohl generell alle Dicken (Kleber, Deckfolie(n), Trägerfolie(n), Dicke des piezoresistiven Messelements) variiert werden können, wird gemäß einem vorteilhaften Aspekt lediglich die Dicke einer Schicht bspw. der Deckschicht oder der Trägerschicht angepasst, wobei die Dicke der anderen Schicht oder Schichten fest eingestellt bleiben.
Zudem kann, wenn die Trägerschicht eine Trägerfolie umfasst, die Dicke der Trägerschicht vorteilhaft nur durch ein Anpassen der Dicke der Trägerfolie festgelegt werden.
Wenn die Deckschicht eine Deckfolie umfasst, kann die Dicke der Deckschicht vorteilhaft nur durch ein Anpassen der Dicke der Deckfolie festgelegt werden. Dieser Aspekt ist besonders vorteilhaft, weil die Anpassung der Dicke einer Deckfolie in der Herstellung am einfachsten ist.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die piezoresistiven Messelement bzw. Widerstände aus einer piezoresistiven Legierung wie Manganin oder Zeranin bestehen. Beide Materialien finden ansonsten üblicherweise Anwendung bei der Produktion von dynamischen Drucksensoren. Unter die Bezeichnung Manganin fallen Kupfer - Mangan - Legierungen, insbesondere solche mit einem Anteil von 83 - 87 Prozent Kupfer, etwa 12 - 13 Prozent Mangan und 0 - 4 Prozent Nickel. Beispielhaft kann Manganin 84 Prozent Kupfer, 12 Prozent Mangan und 4 Prozent Nickel enthalten. Manganin weist einen großen positiven piezoresistiven Effekt auf, und gleichzeitig eine geringe Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur. Aufgrund seiner Materialeigenschaften ist Manganin für die Produktionen in Dünnschichttechnik oder Folientechnik besonders geeignet. Als alternativer Werkstoff kann Zeranin genutzt werden. Auch bei Zeranin handelt es sich um eine Kupfer - Mangan - Verbindung. Zeranin weist einen ca. 90-prozentigen Kupferanteil, einen 7-prozentigen Mangananteil, einem etwa 2,3-prozentigen Zinnanteil, und weiteren Beimengungen von Aluminium, Eisen und Nickel auf. Aufgrund ihrer Materialeigenschaften eignen sich die genannten Legierungen und weitere vergleichbare Materialien für den vorgesehenen Zweck gut.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die piezoresistiven Widerstände in Dünnschichttechnik oder Folientechnik gefertigt sein. Vorteilhaft können Widerstandspaare (siehe dazu auch die nachfolgende Beschreibung) dabei aus einem, bzw. in einem Stück gefertigt werden. Als Deckschicht, bzw. Träger- und oder Deckfolie kommen vorteilhaft (Hochleistungs-)Polyimide oder andere Hochleistungspolymere (PEEK, Polysulfone, Polyetherketone oder ähnliches) in Betracht. Die Dicke der Deckschicht und/oder der Trägerschicht und die Dicke des piezoresistiven Messelements sind vorteilhaft im Wesentlichen homogen in einem aktiven Bereich des piezoresistiven Messelements. Der aktive Bereich ist dabei der Bereich, in dem das piezoresistive Messelement bezogen auf die Kraftaufnehmende Oberfläche bei einer Kraftmessung belastet ist.
Die Dicke der Trägerfolie/Trägerschicht und/oder Deckfolie/Deckschicht kann im aktiven Bereich das zwei- bis fünfzehnfachen der Dicke des piezoresistiven Messelements betragen. Diese Dicken betreffen die Schichtdicken inklusive Kleber.
Die Dicke des, mit Walztechnik hergestellten piezoresistiven Messelements, kann vorteilhaft im aktiven Bereich 2 µm bis 10 µm und die Dicke der Trägerfolie und/oder der Deckfolie kann im aktiven Bereich 5 µm bis 500 µm, bevorzugt im aktiven Bereich 10 µm bis 50 µm betragen. Das piezoresistive Messelement kann auch mittels Dünnschichttechnik hergestellt werden. Dann sind Dicken von 10 bis 1000 nm für die piezoresistiven Schichten sinnvoll. Mit dieser Herstellungstechnik kann auch auf die Klebeschicht verzichtet werden, die eigentlich zwischen 5 µm und 10 µm liegt. Es wäre auch denkbar, dass bei einem Aufbau eines piezoresistiven Messelements die Klebeschicht dicker ausgestaltet wird und dabei die Funktion der Folien übernimmt und die Folien somit nicht notwendig sind. Bei der Dünnschichttechnik liegt die Dicke der isolierenden Schichten, also der Trägerschicht bzw. der Trägerfolie und der Deckschicht bzw. der Deckfolie, bei 20 nm bis 5000 nm je nachdem welches Abscheidungsverfahren gewählt wurde. Diese Bereiche für die Dicken sind vorteilhaft, weil hiervon ausgehend leichter ein Minimum für das Kriechen gefunden werden kann, insbesondere wenn nur eine der Dicken der Schichten verändert wird.
Die Deckschicht und/oder Trägerschicht kann ferner auch Füllstoffe enthalten. Insbesondere kann die Deckschicht bzw. die Deckfolie und/oder die Trägerschicht bzw. die Trägerfolie, eine Faserfüllung aufweisen. Diese sorgt für eine höhere Stabilität der Deckschicht bzw. Deckfolie und/oder der Trägerschicht bzw. Trägerfolie.
Die vorliegende Beschreibung stellt ebenfalls einen Kraftsensor bereit, der nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der beschriebenen Aspekt und/oder Ausführungsbeispiele hergestellt ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst der Kraftsensor ein erstes und ein zweites Teil, welche flach ausgebildet sind. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teil ist das piezoresistive Messelement angeordnet. Das piezoresistive Messelement kann einen oder mehrere piezoresistive Widerstände umfassen. Insofern kann zumindest ein erster piezoresistiver Widerstand zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil angeordnet sein. Der Kraftsensor ist derart ausgestaltet, dass bei einer axialen Druckbelastung des Kraftsensors, bspw. durch ein längliches Objekt, wie einen Bolzen, zumindest der erste piezoresistive Widerstand mit einer aus der axialen Druckbelastung resultierenden Kraft belastet wird. Der piezoresistive Widerstand kann dann eine Deckschicht und/oder Trägerschicht aufweisen, die eine Stärke hat, durch welche das Kriechen für eine Nennlast minimiert ist. Die Anpassung der Dicke der Trägerschicht erfolgt vorteilhaft durch eine Anpassung der Dicke der Trägerfolie und/oder der Deckfolie.
Der Kraftsensor, und somit auch das erste und das zweite Teil, können eine gemeinsame Öffnung aufweisen, um ein sich in einer axialen Richtung erstreckendes, insbesondere längliches, Objekt, bspw. ein Bolzen, eine Welle oder eine Gewindestange aufzunehmen und mit dem länglichen Objekt zusammenzuwirken. Bei dem länglichen Objekt kann es sich um einen Bolzen und insbesondere um einen Schraube handeln. Zwischen dem ersten und dem zweiten Teil ist zumindest der erste piezoresistiver Widerstand angeordnet. Der Kraftsensor ist dann derart ausgestaltet, dass bei einer axialen Druckbelastung des Kraftsensors durch das längliche Objekt zumindest der erste piezoresistive Widerstand mit einer aus der axialen Druckbelastung resultierenden Kraft (in dem aktiven Bereich) belastet wird.
Im vorliegenden Kontext umfasst der Begriff „Bolzen“ jedes längliche Objekt, das zum Befestigen geeignet ist, insbesondere auch Schrauben. Die Begriffe „belastet“ und „unbelastet“ sind im Zusammenhang mit den piezoresistiven Widerständen so zu verstehen, dass die Widerstände bei einer axialen Druckbelastung bzw. axialen Kraft (also in Richtung der Erstreckung des länglichen Objekts bzw. des Bolzens) belastet bzw. unbelastet sind. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung wirkt dann die Nennlast.
Das erste und das zweite Teil sind vorteilhaft so ausgestaltet und angeordnet, dass sie zusammenwirkend einen vorzugsweise hermetisch abgedichteten Innenraum definieren. Der Innenraum kann ggf. mit Schutzgas, bspw. Stickstoff gefüllt werden. Durch eine Kapselung kann der Sensor dann auch in besonders unwirtlichen, beispielsweise korrosiven Umgebungen eingesetzt werden. Allgemein wird hierdurch die Lebensdauer des Sensors verlängert.
Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Kraftsensor durch seine im Vergleich zu bestehenden Kraftsensoren sehr flache Bauart in einfacher Weise in bestehenden Bolzen- und/ oder Schraubenverbindung integriert werden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung, kann der Kraftsensor mindestens einen zweiten piezoresistiven Widerstand aufweisen, wobei der zweite piezoresistive Widerstand bei der axialen Druckbelastung des Kraftsensors unbelastet bleibt. Der unbelastete piezoresistive Widerstand kann bei der Messung und/ oder der Auswertung der Messdaten als Referenz dienen, um unerwünschte Einflüsse auf die Genauigkeit des Messwertes, wie z.B. die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes, zu minimieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der Kraftsensor weiterhin mindestens einen dritten und einen vierten piezoresistiven Widerstand aufweisen. Bei der axialen Druckbelastung des Kraftsensors kann der dritte piezoresistive Widerstand mit einer resultierenden Kraft belastet werden. Der vierte piezoresistive Widerstand kann bei der axialen Druckbelastung des Kraftsensors unbelastet bleiben. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit weiter verbessert werden. Bei Nutzung von mindestens vier piezoresistiven Widerständen können diese beispielsweise in einer Wheatston'schen Brückenschaltung im Kraftsensor verschalten sein. Durch die Wheatston'sche Brücke können auch sehr kleine Widerstandsänderungen der belasteten Widerstände gemessen und Temperatureffekte kompensiert werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann der Kraftsensor zusätzlich mindestens einen fünften bis achten piezoresistiven Widerstand aufweisen. Der Kraftsensor kann somit insgesamt acht piezoresistive Widerstände aufweisen. Der erste Teil und der zweite Teil sind dabei so ausgebildet, dass der erste, der dritte, der fünfte und der siebte piezoresistive Widerstand jeweils mit einer aus der axialen Druckbelastung des Kraftsensors resultierenden Kraft belastet werden, und der zweite, der vierte, der sechste und der achte piezoresistive Widerstand undbelastet bleiben. Vorteilhaft können auch diese Widerstände in einer Wheatston'schen Brückenschaltung verschaltet sein. Vorteilhaft können hierbei jeweils zwei belastete piezoresistive Widerstände bzw. zwei unbelastete piezoresistive Widerstände zu einem Widerstand der Wheatston'schen Brückenschaltung zusammengefasst sein. Ein Kraftsensor gemäß diesem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann einen vorteilhaften Kraftfluss aufweisen. Der Kraftsensor liefert so noch bessere bzw. genauere Ergebnisse.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die belasteten piezoresistiven Widerstände, also bspw. der erste, der dritte, der fünfte und der siebte piezoresistive Widerstand, im Innenraum umfänglich, vorzugsweise gleichmäßig voneinander und/ oder von der Öffnung beabstandet, um die Öffnung herum angeordnet sein. Beispielhaft können zwischen zwei piezoresistiven Widerständen 180° liegen, oder zwischen vier piezoresistive Widerständen jeweils 90°. Eine solche Anordnung der piezoresistiven Widerstände, und insbesondere der belasteten piezoresistiven Widerstände, führt dazu, dass sich die Kraft der axialen Druckbelastung des Kraftsensors im Kraftfluss gleichmäßig aufteilt und in die belasteten piezoresistiven Widerstände eingeleitet wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die piezoresistiven Widerstände Widerstandspaare bilden und die Widerstandspaare jeweils einen der belasteten piezoresistiven Widerstände und einen der unbelasteten piezoresistiven Widerstände enthalten. Anders formuliert kann ein Kraftsensor mit acht piezoresistiven Widerständen, von denen vier belastete Widerstände und vier unbelastete Widerstände sein können, vier Widerstandspaare aufweisen. In jedem der vier Widerstandspaare können je ein belasteter piezoresistiver Widerstand und ein unbelasteter piezoresistiver Widerstand enthalten sein. Eine Gruppierung jeweils zweier Widerstände zu einem Widerstandspaar kann sich vorteilhaft auf die Produktionsprozesse auswirken, insbesondere dann, wenn jeweils identische Widerstandspaare in einem Kraftsensor Verwendung finden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können zumindest die belasteten piezoresistiven Widerstände alle einen Sandwich-Aufbau mit einer Trägerschicht und einer Deckschicht aufweisen, wobei dann die Dicke der Trägerschicht und/oder die Dicke der Deckschicht gemäß den beschriebenen Aspekten und Ausführungsbeispielen so eingestellt ist, dass ein Kriechen des Kraftsensors für eine Nennlast minimiert wird.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die belasteten piezoresistiven Widerstände näher an der Öffnung liegen als die unbelasteten piezoresistiven Widerstände. Zusammen mit weiteren vorteilhaften Aspekten der Erfindung kann eine solche Anordnung der Widerstände den Kraftsensor robuster und die Produktionsprozesse effizienter gestalten. Alternativ wäre es auch möglich die unbelasteten piezoresistiven Widerstände näher an der Öffnung und die belasteten piezoresistiven Widerstände weiter entfernt von der Öffnung zu plazieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die belasteten piezoresistiven Widerstände im Wesentlichen konzentrisch um einen Mittelpunkt der Öffnung angeordnet sein. Diese Anordnung kann sich positiv auf den Kraftfluss auswirken.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das zweite Teil zumindest einen hervorstehenden Bereich aufweisen. Der hervorstehende Bereich kann in der axialen Richtung auf einer dem ersten Teil zugewandten oder abgewandten Seite des zweiten Teils im Vergleich zu einem zweiten Bereich des zweiten Teils hervorstehen. Der hervorstehende Bereich kann auch sowohl auf der dem ersten Teil zugewandten als auch der dem ersten Teil abgewandten Seite hervorstehen. Der hervorstehende Bereich kann bei der axialen Druckbelastung des Kraftsensors die resultierenden Kräfte in den oder die belasteten piezoresistiven Widerstände einleiten.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Widerstandspaare umfänglich und vorzugsweise gleichmäßig voneinander und/ oder von der Öffnung beabstandet um die Öffnung herum angeordnet sein. Zusammen mit weiteren vorteilhaften Aspekten der Erfindung kann eine solche Anordnung den Kraftsensor weiter optimieren.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Widerstandspaare jeweils einen ersten bis dritten Kontakt aufweisen. Dabei kann der erste Kontakt mit dem belasteten piezoresistiven Widerstand elektrisch leitend verbunden sein. Der belastete piezoresistive Widerstand ist zusätzlich mit dem zweiten Kontakt elektrisch leitend verbunden. Der zweite Kontakt ist wiederum zusätzlich mit dem unbelasteten piezoresistiven Widerstand elektrisch leitend verbunden. Der unbelastete piezoresistive Widerstand wiederum ist zusätzlich mit dem dritten Kontakt elektrisch leitend verbunden. Die Widerstandspaare weisen somit eine Reihenschaltung auf. Anders formuliert folgt in der Reihenschaltung auf den ersten Kontakt der belastete piezoresistive Widerstand, auf diesen folgt der zweite Kontakt, auf den zweiten Kontakt folgt der unbelastete piezoresistive Widerstand und auf diesen wiederum folgt der dritte Kontakt. Die Ausgestaltung der Widerstandspaare mit den Kontakten in einer Reihenschaltung kann die elektrische Kopplung bzw. Verdrahtung innerhalb des Kraftsensors vereinfachen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung können zumindest zwei der Widerstandspaare im Wesentlichen gleichartig und vorzugsweise identisch, insbesondere bezüglich ihres Layout und der Lage der Kontakte, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Abstimmung der Messbrücke weiter vereinfacht werden und etwaige Messfehler werden verringert. Auch die Arbeitsschritte zur elektrischen Kopplung bzw. Verdrahtung der Widerstände können auf diese Weise effizienter gestaltet werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das zweite Teil des Kraftsensors in einem ersten Lagerbereich und in einem zweiten Lagerbereich mit dem ersten Teil in Verbindung stehen. Anders formuliert, kann das zweite Teil in einem ersten und in einem zweiten Lagerbereich auf dem ersten Teil auflagern. Vorteilhaft können das erste und das zweite Teil dabei formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein. Beispielhaft können das zweite Teil und das erste Teil in dem ersten und zweiten Lagerbereich eine ineinander greifende Kontur aufweisen, und über die gesamte Länge der Lagerbereiche verschweißt sein.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das zweite Teil einen ersten und einen zweiten Federbereich aufweisen, wobei die Federbereiche ausgestaltet sind, um eine elastische Verformung des zweiten Teils in axialer Richtung zu ermöglichen. Der zuvor erwähnte hervorstehende Bereich kann dabei zwischen dem ersten und dem zweiten Federbereich angeordnet sein. Beispielhaft kann das zweite Teil beidseits des hervorstehenden Bereiches verdünnt sein. Die Federbereiche ermöglichen eine vorteilhafte elastische Verformung des zweiten Teils, sodass der hervorstehende Bereich des zweiten Teils sich stempelartig in Richtung der belasteten Widerstände bewegt, diese berührt und eine aus der axialen Druckbelastung des Kraftsensors resultierenden Kraft in die jeweiligen belasteten piezoresistiven Widerstände einleitet.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Innenraum des Kraftsensors eine lichte Höhe von 0,2 mm bis 3 mm und eine lichte Breite von zumindest 0,2 mm bis 3 mm aufweisen. Diese Abmessungen des Innenraums ermöglichen eine einfache Kontaktierung der Widerstände, und stellen weiterhin sicher, dass die unbelasteten Widerstände nicht durch die axiale Druckbelastung des Kraftsensors belastet werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das zweite Teil eine Leitungsöffnung in einer außen umlaufenden Randfläche aufweisen. Anschlussleitungen können durch die Leitungsöffnung in den Innenraum geführt und dort elektrisch, z.B. mittels der Kontakte, mit den Widerständen verbunden sein. Dies kann eine unkomplizierte Montage, bzw. den Ersatz von Scheibenringen durch den Kraftsensor ermöglichen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Innenraum auch einen Kanal in einer dem zweiten Teil zugewandten Oberfläche des ersten Teils umfassen. Vorzugsweise kann der Kanal in einem äußeren Bereich des ersten Teils teilweise oder ganz umlaufen. Auch der Kanal kann vorzugsweise eine Kanalhöhe und eine Kanalbreite zwischen 0,2 mm und 3 mm aufweisen. Die Anschlussleitungen können zumindest abschnittsweise in dem Kanal verlegt sein.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Innenraum zumindest teilweise mit einem Polymer verfüllt sein. Vorteilhaft kann zumindest der Kanal um die Leitungsöffnung verfüllt sein, um eine hermetische Abdichtung des Innenraums zu gewährleisten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System mit einem erfindungsgemäßen Kraftsensor und einer Auswerteelektronik bereitgestellt. Die Auswerteelektronik ist geeignet, um ein Messsignal des Kraftsensors auszuwerten. Die Auswerteelektronik ist weiterhin geeignet, eine Nachricht, beispielsweise mittels Netzwerkinfrastruktur und/ oder Nachrichtenbus an einen Nachrichtenempfänger zu versenden. Die Nachricht kann die Auswertung oder Teile der Auswertung, bzw. weitere Daten umfassen. Das System kann die Kontrolle der Vorspannkraft einer Bolzen- oder Schraubenverbindung vereinfachen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das System einen Energiespeicher umfassen, wobei die Auswerteelektronik mit in dem Energiespeicher gespeicherter Energie autark betrieben werden kann. Durch den autarken Betrieb können Messungen, bzw. die kontinuierliche Überwachung von etwa Schrauben- oder Bolzenverbindungen auch an unzugänglichen Stellen durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Auswerteelektronik weiterhin geeignet sein, den Energiespeicher mit verfügbarer Energie zu laden. Die verfügbare Energie kann beispielsweise aus Solarzellen, einem Windgenerator, oder mittels Energy-Harvesting bereitgestellt werden. Energy-Harvesting beschreibt ein Verfahren zur quasi-parasitären Nutzung elektromagnetischer Strahlung aus der Umwelt.
Figurenliste
Im Folgenden werden die Merkmale und Aspekte der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, dabei zeigt

- 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein piezoresistives Messelement, sowie die Träger- und Deckschicht,
- 2 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Kriechen und der Last bei unterschiedlicher Deckfolientypen mit unterschiedlichen Dicken darstellt,
- 3 ein vereinfachtes Flussdiagramm für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches den Zusammenhang zwischen dem Kriechen und der Dicke der Deckfoliendicke bei verschiedenen Nennlasten darstellt,
- 4 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Kriechen und der Dicke der Deckfoliendicke bei verschiedenen Nennlasten darstellt,
- 5 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kraftsensor,
- 6 eine Schnittdarstellung durch den Kraftsensor gemäß 5 an der Schnittlinie A-A,
- 7 eine Ausschnittvergrößerung des Bereichs X der 6,
- 8 eine Ausschnittvergrößerung des Bereichs Y der 6,
- 9 eine Schnittdarstellung durch den Kraftsensor an der Schnittlinie B-B,
- 10 eine Ausschnittvergrößerung des Bereichs S der 9,
- 11 eine Ausschnittvergrößerung des Bereichs T der 9,
- 12 den Kraftsensor von 5 mit Anschlussleitungen,
- 13 das Schaltbild des Kraftsensors nach 12,
- 14 ein Widerstandspaar des Kraftsensors,
- 15 eine Explosionszeichnung des Kraftsensors mit einer Unterlegscheibe und einem Bolzen,
- 16 ein erfindungsgemäßes System mit einem Kraftsensor.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung durch ein piezoresistives Messelement PZ und die Trägerschicht TS und die Deckschicht DS. Insgesamt sind hier beispielhaft fünf Schichten oder auch Lagen dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine nullte Kleberschicht (vereinfachend nicht dargestellt) zur Fixierung des piezoresistiven Messelement, eine Trägerfolie TF, eine erste Kleberschicht KL1, das piezoresistive Messelement (Widerstand) PZ, eine zweite Kleberschicht KL2 und eine Deckfolie DF. Die Trägerfolie TF liegt flächig auf und ist durch die erste Kleberschicht KL1 mit dem piezoresistiven Messelement PZ verbunden. Das piezoresistive Messelement PZ liegt auf der ersten Kleberschicht KL1. Auf der gegenüberliegenden Seite des piezoresistiven Messelements PZ ist ggf. eine zweite Kleberschicht KL2 angeordnet, welche die Oberseite des piezoresistiven Messelements mit der Deckfolie DF verbindet. Das ganze Sandwich SW aus den fünf genannten Schichten befindet sich zwischen einem ersten Teil 10 und einem zweiten Teil 20, die zum Kraftsensor gehören. Die Nennlast NL bewirkt eine Kraft in Pfeilrichtung, welche im Wesentlichen normal (senkrecht) zu den Ebenen der Lagen des Sandwichs ist. Mit anderen Worten werden das erste Teil 10 und das zweite Teil 20 unter Krafteinwirkung auf den Kraftsensor zusammengedrückt. Der Ausschnitt gemäß 1 zeigt also lediglich einen aktiven Bereich, in dem das piezoresistive Messelement PZ unter Krafteinwirkung belastet ist. Die Trägerfolie hat eine homogene (gleichmäßige) Dicke DT in der Ebene die senkrecht zur Kraftrichtung der Nennlast NL ist. Die Deckfolie hat eine homogene (gleichmäßige) Dicke DD in der Ebene die senkrecht zur Kraftrichtung der Nennlast NL ist. Das piezoresistive Messelement PZ hat eine homogene (gleichmäßige) Dicke DP in der Ebene die senkrecht zur Kraftrichtung der Nennlast NL ist. Auch die Dicke der beiden Kleberschichten KL1 und KL2 ist im Wesentlichen homogen (also gleichmäßig) in der Ebene die senkrecht zur Kraftrichtung der Nennlast NL ist. Alle Dicken DD, DT, DP, und die der Kleberschichten KL1 und KL2 können variiert werden, wodurch sich das Kriechen generell minimieren lässt. Vorteilhaft wird jedoch nur eine Schichtdicke variiert und so ein Minimum für das Kriechen für eine vorgegebene Nennlast erreicht.
2 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Kriechen und der Dicke der Deckfoliendicke aber auch des Deckfolienmaterial bei verschiedenen Nennlasten darstellt. Die waagerechte Achse zeigt die Nennlast in t. Die senkrechte Achse zeigt den Kriechfehler in Prozent . Dabei sind in dem Diagramm mehrere Deckfoliendicken eingetragen, die alle ein annähernd lineares Verhalten aufweisen. Zusätzlich sind in diesem Diagramm neben unterschiedlichen Deckfoliendicken auch unterschiedliche Deckfolienmaterialien aufgetragen. Diese zeigen alle unterschiedliches Verhalten bei verschiedenen Nennlasten auf. Eine Gemeinsamkeit die all diese linearen Funktionen aufweisen ist aber ein Schnittpunkt mit der X-Achse, also bei einer bestimmten Nennlast, bei der der Kriechfehler gegen Null geht. Die Deckfolie aus Polyimid geht bei einer Dicke von 25 µm und einer Nennlast von 12 t gegen Null, d.h. mit dieser Dicke ist bei einer Nennlast von 12 t kein Kriechfehler vorhanden.
3 ist ein vereinfachtes Flussdiagram für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren dient zur Kriechanpassung eines Kraftsensors KS, der aus einer Trägefolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder Deckfolie (DF) und einem piezoresistiven Messelement (PZ) besteht, der eingerichtet ist, um eine Kraft mittels eines piezoresistiven Messelements PZ, insbesondere piezoresistiven Widerstands, zu bestimmen. In Schritt S1 wird zunächst eine Nennlast NL für den Kraftsensor ausgewählt. In Schritt S2 wird ein Material M für die Deckfolie DF und eine Startdicke der Deckfolie DF des piezoresistiven Messelements ausgewählt bzw. berücksichtigt. In einem weiteren Schritt S3 kann dann die Dicke der Deckfolie DD für die Nennlast NL, für welche die zeitliche Änderung der gemessenen Kraft für die vorgegebene Nennlast minimal ist (d.h. minimales Kriechen), ermittelt bzw. festgelegt werden. Dies wird ermittelt in dem der Kriechfehler erstmals ermittelt wird. Falls dieser positiv ist, wird in einem nächsten Schritt S4 die Dicke der Deckfolie verringert. Ist der Kriechfehler im Anschluss immer noch positiv (Schritt S5) wird die Dicke der Deckfolie nochmals verringert. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt bis der Kriechfehler nicht mehr positiv ist. Dann ergibt sich im Schritt S8 die optimale Dicke der Deckfolie. Diese liegt dann zwischen dem letzten positiven Kriechfehler, was der vorletzten Dicke der Deckfolie entspricht und dem ersten negativen Kriechfehler, was der letzten Dicke der Deckfolie entspricht. Sollte der Kriechfehler in Schritt S3 nicht positiv sein, also negativ, dann wird in Schritt S6 die Dicke der Deckfolie vergrößert. Die Dicke der Deckfolie wird anschließend so oft vergrößert bis der Kriechfehler in Schritt S7 positiv ist. Sollte der Kriechfehler negativ werden, liegt die optimale Dicke der Deckfolie zwischen dem letzten negativen Kriechfehler und dem positiven Kriechfehler. Also liegt der beste Wert für den Kriechfehler irgendwo zwischen einer ersten Materialdicke 5 µm und einer zweiten Materialdicke 60 µm. Anschließend kann ein Kraftsensors KS mit einer Deckfolie mit der ermittelten Dicke DD über dem piezoresistiven Messelement PZ ausgestattet werden.
Die Deckfolie DF und/oder die Trägerfolie können im Wesentlichen aus einem Hochleistungspolyimid (PI) bestehen. Abhängig vom Hersteller, werden unterschiedliche Vernetzungen und Füllstoffe eingesetzt, die die mechanischen Eigenschaften der Folien beeinflussen. Damit ist das Kriechen nicht nur von der Dicke der Folie sondern auch vom Polyimidtyp abhängig. Typische Markennamen für Polyimide sind Kapton, Apical, Flexiso, Norton oder Tecfilm.
Die Deckfolie DF und/oder die Trägerfolie TF kann ferner auch Füllstoffe enthalten. Insbesondere kann die Deckfolie DF oder auch Trägerfolie TF eine Faser- bzw. Glasfaserfüllung aufweisen. Diese sorgt für eine höhere Stabilität der Deckschicht.
4 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Kriechen und der Deckfoliendicke DD und verschiedenen Nennlasten NL darstellt. Auf der waagrechten Achse ist die Deckfoliendicke DD aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist das Kriechen in Prozent aufgetragen. Die Bestimmung der optimalen Deckfoliendicke DD für die das Kriechen minimal wird erfolgt hier zunächst empirisch und durch Interpolation für Polyimid (PI). Die empirisch ermittelten Werte, die im Diagramm gemäß 2 aufgetragen sind, sind nochmals in der folgenden Tabelle angegeben:
Tabelle 1
Durch eine sinnvolle Interpolation zwischen den empirisch ermittelten Punkten für die jeweilige Nennlast NL, können dann näherungsweise die optimalen Werte für die Deckfoliendicke DD ermittelte werden. Die Deckfoliendicke DD ist somit mindestens eine Funktion der Nennlast NL und des gewählten Materials M der Deckfolie DF: $DD = f (NL,M)$
Ferner können auch andere Randbedingungen mit einbezogen werden, wie bspw. der aktive Bereich AB in dem die Deckfolie tatsächlich belastet wird, wenn der Kraftsensor belastet ist. Ferner können noch Klebeschichten KL mit einbezogen werden. Dann ist die Deckfoliendicke DD eine Funktion dieser Parameter: $DD = f (NL,M,AB,KL) .$
Noch allgemeiner kann die Deckfoliendicke DD auch als Funktion einer Nennlast NL für einen bestimmten Kraftsensor KS angegeben werden. Der Kraftsensor weist dann alle Randbedingungen und Parameter, wie Materialen M, Schichtdicken der Folien und ggf. Kleber, des piezoresistiven Messelements, der aktiven Bereiche AB und ggf. nicht aktiven Bereiche etc. auf: $DD = f (NL,KS) .$
Wie sich 3 entnehmen lässt, ist eine Deckfoliendicke DD von ca. 18 µm für eine Nennlast NL von 16 t optimal, weil das Kriechen laut Diagramm dort etwa bei Null liegt. Eine Deckfoliendicke DD von ca. 20 µm ist für eine Nennlast NL von 14 t optimal, weil das Kriechen laut Diagramm dort etwa bei Null liegt, während eine Deckfoliendicke DD von ca. 25 µm für eine Nennlast NL von 12 t und eine Deckfoliendicke DD von ca. 35 µm für eine Nennlast NL von 10 t optimal ist, weil das Kriechen laut Diagramm dort etwa bei Null liegt.
Die vorliegende Beschreibung stellt ebenfalls einen Kraftsensor bereit, der nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der beschriebenen Aspekt und/oder Ausführungsbeispiele hergestellt ist.
Die 5 - 16 zeigen einen exemplarischen erfindungsgemäßen Kraftsensor 1 bzw. KS.
5 zeigt eine Draufsicht, wobei das zweite Teil 20 nicht dargestellt ist. Der Kraftsensor (KS) 1 ist flach und ringartig ausgebildet und weist eine durchgehende Öffnung 50 auf. Wie in 15 gezeigt, kann ein Bolzen bzw. eine Schraube (bzw. längliches Objekt 2) durch die Öffnung geführt werden. Zwischen dem ersten Teil 10 und dem nicht dargestellten zweiten Teil 20 ist ein erster piezoresistive Widerstand 401 angeordnet. Dieser weist vorteilhaft den für ein Kriechen bei vorgegebener Nennlast optimierten Aufbau bzw. die optimierten Dicken der Trägerschicht und/oder Deckschicht auf. Ferner kann auch eine Unterlegscheibe 3 vorgesehen.
Wie im Schnitt A-A von 6 (die vergrößerten Details X und Y dazu sind in den 7 und 8 zu sehen) dargestellt, wird bei einer axialen Druckbelastung des Kraftsensors 1 durch das längliche Objekt 2 der erste piezoresistive Widerstand 401 mit einer aus der axialen Druckbelastung resultierenden Kraft Fres belastet. Konkret führt eine axiale Druckbelastung des Kraftsensors 1 mit der Nennlast zu einem Kräftepaar Fres, dass in axialer Richtung von unten durch das erste Teil 10 und von oben durch das zweite Teil 20 wirkt. Durch den hervorstehenden Bereich 201, wie er in 8 vergrößert dargestellt ist, wird die Kraft Fres in den ersten piezoresistiven Widerstand 401 eingeleitet.
Das erste Teil 10 und das zweite Teil 20 definieren zusammenwirkend den vorteilhafterweise hermetisch abgedichteten Innenraum 30.
Vorteilhafterweise umfasst der Kraftsensor, wie hier gezeigt, einen zweiten piezoresistiven Widerstand 402, wobei der Kraftsensor 1, KS derart ausgestaltet ist, dass der zweite piezoresistive Widerstand 402 bei der axialen Druckbelastung des Kraftsensors 1 unbelastet bleibt. Wie in der Detailansicht der 6, nämlich 7 und 8 zu sehen, ist der zweite piezoresistive Widerstand derart angeordnet, dass keine Kraft in den zweiten piezoresistiven Widerstand 402 durch das zweite Teil eingeleitet werden kann. Insbesondere ist der zweite piezoresistive Widerstand 402 derart angeordnet, dass er auch unter einer axialen Druckbelastung keinen Kontakt zum zweiten Teil 20 hat.
5 zeigt ebenfalls einen dritten und einen vierten piezoresistiven Widerstand 403, 404, wobei auch in den dritten piezoresistiven Widerstand 403 ein Anteil Fres der durch die axiale Druckbelastung wirkenden Kräfte in diesen eingeleitet wird. Der vierte piezoresistive Widerstand 404 stellt ebenfalls eine unbelastete Referenz dar.
Der Kraftsensor 1 aus 5 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform mit insgesamt acht piezoresistiven Widerständen 404 - 408, wobei vier der Widerstände bei einer axialen Druckbelastung des Kraftsensors 1 mit Druckkräften Fres beaufschlagt werden, und vier weitere piezoresistive Widerstände 402, 404, 406, 408 als unbelastete Referenz dienen können. Vorteilhaft sind die Dicken der Trägerschicht und/oder der Deckschicht zumindest der belasteten piezoresistiven Widerstände gemäß dem hier beschriebenen Verfahren bezüglich eines Kriechens optimiert.
Der dargestellte Kraftsensor KS, 1 zeigt eine vorteilhafte Anordnung der piezoresistiven Widerstände, welche regelmäßig beabstandet voreinander, gleichmäßig um den Umfang verteilt sind.
In 12 ist ebenfalls der Kraftsensor 1 von 5 dargestellt. Zu erkennen ist die Gruppierung jeweils eines belasteten Widerstandes und eines unbelasteten Widerstandes zu einem Widerstandspaar 441 - 444. Wenn sich die belasteten piezoresistiven Widerstände 401, 403, 405, 407, wie in den 5 und 12, bzw. in 6 und 9 gezeigt, näher an der Öffnung 50 befinden als die unbelasteten piezoresistiven Widerstände 402, 404, 406, 408, so vereinfacht dies die Leitungsführung stark.
Alternativ wäre es auch möglich die unbelasteten piezoresistiven Widerstände näher an der Öffnung 50 zu platzieren und die belasteten piezoresistiven Widerstände weiter von der Öffnung 50 entfernt.
Gezeigt ist eine Anordnung der belasteten piezoresistiven Widerstände 401, 403, 405, 407, in welcher die genannten Widerstände konzentrisch um einen Mittelpunkt 51 der Öffnung 50 anordnet sind.
Deutlich zu erkennen ist, dass die Widerstandspaare, wie sie in 14 gezeigt sind, ähnlich ausgebildet sind und rotationssymmetrisch mit einer Schrittweite von 90° im Innenraum 30 zwischen dem ersten Teil 10 und dem zweiten Teil 20, angeordnet sind.
Wie in den 6 und 9 (und den 7, 8 sowie 10, 11 die jeweiligen Details dazu) gezeigt, ist der hervorstehende Bereich 201 in einer vorteilhaften Ausführungsform verdickt ausgeführt, sodass der hervorstehende Bereich 201 in einer vom ersten Teil 10 abgewandten Richtung über die anderen Bereiche hervorsteht. Gleichzeitig steht der verdickte Bereich 201 des zweiten Teils 20 auch in axialer Richtung zum ersten Teil 10 hingewandt hervor. Der hervorstehende Bereich ist hier demnach stempelartig ausgeführt und ermöglicht die Krafteinleitung in die belasteten piezoresistiven Widerstände. Durch diese Ausgestaltung wird somit ein aktiver Bereich definiert, in dem die belasteten piezoresistiven Widerstände mit Kraft beaufschlagt sind.
Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den 6 bis 11 gut zu erkennen. So weist das erste Teil 10 in einem inneren, die Öffnung 50 umschließenden Bereich und in einem äußeren Bereich jeweils einen sich in axialer Richtung erstreckenden Rand auf. Direkt neben dem äußeren Rand ist ein innenliegender Kanal 31 zu erkennen. Ebenso wie der Innenraum 30, sollte der Kanal 31 Abmessungen aufweisen, die es erlauben, einfach und zuverlässig Anschlussleitungen zu verlegen. Die Kanalhöhe KH und die Kanalbreite KB kann vorteilhaft zumindest 0,2 mm bis 3 mm betragen. Die Leitungsöffnung 32 ist in 11 noch einmal vergrößert dargestellt. Die nicht dargestellten Anschlussleitungen werden durch die Leitungsöffnung 32 geführt und in dem Kanal 31 am Umfang entlang gelegt.
Das zweite Teil 20 weist beidseits des hervorstehenden Bereichs 201 dünner ausgeführte Federbereiche 221 und 222 auf. Gut zu erkennen ist, dass der umlaufende Federbereich 221 nebenliegend zur Öffnung 50 ist, und eine deutlich kürzere Breite in radialer Richtung Ra aufweist, als der zweite Federbereich 222. Im vorliegenden Fall weist die nach innen gerichtete, dem ersten, kürzeren Federbereich 221 abgewandte Kante 231 eine Rundung auf, um Belastungsspitzen zu vermeiden. Durch die unterschiedlich breiten Federbereiche 221, 222 kann der hervorstehende Bereich 201, hier als Ring ausgeführt, leicht tordieren. In einem inneren Lagerbereich 211 und einem äußeren Lagerbereich 212 liegt das zweite Teil 20 in einer entsprechenden Ausnehmung in den Rändern des ersten Teils 10 auf. Zusätzlich zu dem Formschluss bei Druckbelastung können das erste und das zweite Teil in den Lagerbereichen 212, 211 auf ganzer Länge durch schweißen verbunden werden.
Vorteilhaft werden der Kanal 31 und der Innenraum 30 zumindest soweit mit einem Polymer aufgefüllt, dass die hermetische Abdichtung des Innenraums 30 sichergestellt ist, und dass die verlegten Leitungen festgesetzt sind. Die Leitungen können über Kontakte 411 - 414, 421 - 424, 431 - 434, der Widerstandspaare 441 - 444 mit dem piezoresistiven Widerständen 401 - 408 elektrisch verbunden werden.
Eine vorteilhafte Ausführung eines Widerstandspaares, wie sie in dem Kraftsensor des Ausführungsbeispiels von 5 bis 13 und 15 und 16 Verwendung findet, ist in 14 dargestellt.
Das Widerstandspaar 441 weist einen mäanderförmigen belasteten piezoresistiven Widerstand 401 und einen mäanderförmigen unbelasteten piezoresistiven Widerstand 402, sowie drei Kontakte 411, 421, 431, auf. Wie ersichtlich, handelt es sich um eine Reihenschaltung, in der ein erster Kontakt 411 an einem Ende an den mäanderförmigen belasteten Widerstand 401 angeschlossen ist. An den ersten belasteten Widerstand 401 schließt sich der zweite Kontakt 421 an, auf welchen dann der zweite piezoresistive Widerstand 402 anschließt. Der zweite piezoresistive Widerstand 402 ist auch bei einer axialen Druckbelastung des Kraftsensors 1, KS unbelastet. Ein dritter Kontakt 431 schließt sich an den unbelasteten piezoresistiven Widerstand 402 an, und dient zusammen mit dem ersten Kontakt 411 und dem zweiten Kontakt 421 dazu, das Widerstandspaar 441 in eine elektrische Schaltung zu integrieren. Zumindest der belastetet Widerstand 401 weist den bezüglich der Dicken der Trägerschicht und/oder Deckschicht optimierten Aufbau auf. Allerdings kann auch der nicht belastete Widerstand 402 in diesem oder anderen Ausführungsbeispielen die gleichen Dicken der Trägerschicht und/oder Deckschicht aufweisen, wie der belastete Widerstand 401. Das vereinfacht die Herstellung.
Der erste piezoresistive Widerstand 401 und der zweite piezoresistive Widerstand 402 weisen in der gezeigten mäanderförmigen Ausgestaltung eine identische Gesamtlänge des von einem Strom durchflossenen piezoresistiven Materials, wie z.B. Manganin oder Zeranin auf.
In der mäandernden Struktur folgt jeweils auf eine links gerichtete Leiterschleife 500 ein Leiter definierter Länge 501 mit einem geringen Querschnitt, an welchen sich eine nach rechts gerichtete Leiterschleife 502 und ein weiterer piezoresistiver Leiter 503 anschließt. Auf diesen wiederum folgt eine weitere links gerichtete Leiterschleife 504.
Das dargestellte Layout des Widerstandpaares 441 zeichnet sich durch seine Kompaktheit aus.
Die Kontakte 411, 421, 431 können beispielsweise als Lötfahnen ausgestaltet sein.
Durch die Anordnung des innen liegenden belasteten piezoresistiven Widerstands 401 und des außen liegenden unbelasteten Widerstands 402, sowie die drei Kontakte, lässt sich eine ausgesprochene einfache Kontaktierung erreichen. Insbesondere müssen Leiter nicht im druckbelasteten Bereich geführt werden.
Um wie dargestellt eine Wheatston'sche Brückenschaltung zu erreichen, wird der erste piezoresistive Widerstand 401 des ersten piezoresistiven Widerstandpaar 441 mit dem fünften piezoresistiven Widerstand 405 im dritten Widerstandspaar 443 verbunden. Der sechste piezoresistive Widerstand 406, welcher ebenfalls im dritten Widerstandspaar 443 liegt, wird mit dem vierten piezoresistiven Widerstand 404 aus dem zweiten Widerstandspaar 442 verbunden. Ebenso verhält es sich mit dem dritten piezoresistiven Widerstand 403, welcher ebenfalls im zweiten Widerstandspaar 442 liegt. Dieser wird mit dem siebten piezoresistiven Widerstand 407 des vierten Widerstandspaares 444 verbunden. Der achte piezoresistive Widerstand 408 wird an den zweiten piezoresistiven Widerstand 402 aus dem ersten Widerstandspaar 441 angeschlossen.
Legt man an den zweiten Kontakt 423, 424 des jeweils dritten und vierten Widerstandspaares 443, 444 eine Spannung an, so ergibt sich die gesuchte Messgröße in den jeweils zweiten Kontakten 421, 422 des ersten und des zweiten Widerstandpaares 441, 442.
Mittels der Leiter 51 - 54 kann der Kraftsensor 1 an eine Auswerteelektronik 5, wie in 16 gezeigt, angeschlossen werden. Das System 4 mit einem Kraftsensor 1, und einer Auswerteelektronik 5 umfasst weiterhin Kommunikationsmittel, welche geeignet sind, Nachrichten mit einer Auswertung des Messsignals beispielsweise über eine Netzwerkinfrastruktur zu versenden. Die Netzwerkinfrastruktur kann vorzugsweise drahtlos, aber auch drahtgebunden ausgestaltet sein.
Die Nachrichten können durch einen geeigneten Nachrichtenempfänger empfangen und verarbeitet werden. Der Nachrichtenempfänger ist in der Lage, die Nachrichten einer Vielzahl von Auswerteelektroniken mit Kraftsensor zu verarbeiten und an geeigneter Stelle an einen Bediener auszugeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das System mit der Auswerteelektronik und dem Kraftsensor zusätzlich einen Energiespeicher, wodurch die Auswerteelektronik ohne eine externe Energieversorgung autark betrieben werden kann.
In besonders vorteilhafter Ausführung, ist die Auswerteelektronik zusätzlich geeignet, den Energiespeicher mit verfügbarer Energie, beispielsweise aus Solarzellen, einem Windgenerator oder mittels Energy-Harvesting zu laden.
Bezugszeichenliste

PZ: Piezoresistives Messelement bzw. piezoresistiver Widerstand
NL: Nennlast
TS: Trägerschicht
DS: Deckschicht
TF: Trägerfolie
DF: Deckfolie
KL1: erste Kleberschicht (Trägerschicht)
KL2: zweite Kleberschicht (Deckschicht)
DD: Dicke der Deckfolie; Deckfoliendicke
DT: Dicke der Trägerfolie; Trägerfoliendicke
DP: Dicke des piezoresistiven Messelements bzw. Widerstands
SW: Sandwich aus PZ, DS und TS
S1: Verfahrensschritt 1
S2: Verfahrensschritt 2
S3: Verfahrensschritt 3
S4: Verfahrensschritt 4
1, KS: Kraftsensor
2: Längliches Objekt
3: Unterlegscheibe
4: Messsystem
5: Auswertelektronik
6: Energiespeicher
10: Erstes Teil
20: Zweites Teil
30: Innenraum
S5: Verfahrensschritt 5
S6: Verfahrensschritt 6
S7: Verfahrensschritt 7
S8: Verfahrensschritt 8
222: Verdünnter Federbereich
231: Abgewandte Kante
401: Piezoresistiver Widerstand
402: Piezoresistiver Widerstand
403: Piezoresistiver Widerstand
404: Piezoresistiver Widerstand
405: Piezoresistiver Widerstand
406: Piezoresistiver Widerstand
407: Piezoresistiver Widerstand
31: Kanal
32: Leitungsöffnung
50: Öffnung
51: Mittelpunkt
52: Leiter
53: Leiter
54: Leiter
55: Leiter
408: Piezoresistiver Widerstand
411: Kontakt
412: Kontakt
413: Kontakt
414: Kontakt
421: Kontak
422: Kontakt
107: Belasteter piezoresistiver Widerstand
108: Unbelasteter piezoresistiver Widerstand
201: Hervorstehender Bereich
202: Zweiter Bereich
211: Erster Lagerbereich
212: Zweiter Lagerbereich
221: Verdünnter Federbereich
423: Kontakt
424: Kontakt
431: Kontakt
432: Kontakt
433: Kontakt
434: Kontakt
441: Widerstandspaare
442: Widerstandspaare
443: Widerstandspaare
444: Widerstandspaare
500: Leiterschleife
501: Definierte Länge
502: Leiterschleife
503: Piezoresistiver Leiter
504: Leiterschleife
Ax: Axiale Richtung
Fres: resultierende Kraft
KB: Kanalbreite
KH: Kanalhöhe
LB: Lichte Breite
LH: Lichte Höhe
Ra: Radiale Richtung

Claims

Verfahren zur Kriechanpassung eines Kraftsensors, der aus einer Trägerfolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder der Deckfolie (DF) und einem piezoresistiven Messelement (PZ) besteht und der eingerichtet ist, um eine Kraft mittels des piezoresistiven Messelements (PZ) zu bestimmen, umfassend: Bestimmen einer Nennlast (NL) für den Kraftsensor (KS, 1), Auswählen einer Kombination von Materialien für eine Trägerfolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder Deckfolie (DF), so dass der Kriechfehler des Kraftsensors bei einer ersten Materialdicke des Kraftsensors negativ ist und bei einer zweiten Materialdicke des Kraftsensors positiv ist, Festlegen einer Dicke der Trägerfolie (TF) und/oder Klebeschicht (KL1, KL2) und/oder der Deckfolie (DF) so dass eine zeitliche Änderung einer vom Kraftsensor gemessenen Kraft bei der Nennlast minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Festlegens der Dicke nur das Festlegen der Dicke der Trägerschicht (DT) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Trägerschicht (TS) eine Trägerfolie (TF) umfasst und die Dicke der Trägerschicht (DT) nur durch ein Anpassen der Dicke der Trägerfolie (DT) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Trägerfolie (TF) im Wesentlichen aus einem Hochleistungspolymer, insbesondere einem Polyimid, besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Trägerfolie (TF) einen Füllstoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Festlegens der Dicke nur das Festlegen der Dicke der Deckschicht (DD) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Deckschicht (DS) eine Deckfolie (DF) umfasst und die Dicke der Deckschicht (DD) nur durch ein Anpassen der Dicke der Deckfolie (DD) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Deckfolie (DF) im Wesentlichen aus einem Hochleistungspolymer, insbesondere einem Polyimid, besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Deckfolie einen Füllstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Deckschicht (DS) und/oder der Trägerschicht (TS) und die Dicke (DP) des piezoresistiven Messelements (PZ) im Wesentlichen homogen in einem aktiven Bereich des piezoresistiven Messelements (PZ) ist, wobei der aktive Bereich, der Bereich ist, in dem das piezoresistive Messelement bei einer Kraftmessung belastet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Dicke der Trägerschicht und/oder die Dicke der Deckschicht im aktiven Bereich das zweifache bis fünfzehnfachen der Dicke des piezoresistiven Messelements beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Dicke des piezoresistiven Messelements im aktiven Bereich 2 µm bis 10 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Dicke der Trägerschicht und/oder Deckschicht im aktiven Bereich zwischen 5 µm und 500 µm, bevorzugt im aktiven Bereich zwischen 10,0 µm bis 50 µm liegt.
Kraftsensor (1), der nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist, umfassend: das piezoresistive Messelement (PZ) mit der Deckschicht und der Trägerschicht, ein erstes Teil (10) und ein zweites Teil (20), wobei das piezoresistive Messelement (PZ) eine Mehrzahl von piezoresistiven Widerständen umfasst, und wobei zwischen dem ersten Teil (10) und dem zweiten Teil (20) zumindest ein erster piezoresistiver Widerstand (401) sowie mindestens ein zweiter piezoresistiver Widerstand (402) angeordnet ist, und der Kraftsensor (1) derart ausgestaltet ist, dass bei einer axialen Druckbelastung des Kraftsensors (1) durch ein Objekt (2) zumindest der erste piezoresistive Widerstand (401) mit einer aus der axialen Druckbelastung resultierenden Kraft (Fres) belastet wird, und wobei der Kraftsensor (1) derart ausgestaltet ist, dass der zweite piezoresistive Widerstand (402) bei der axialen Druckbelastung des Kraftsensors (1) unbelastet bleibt.
Messsystem mit einem Kraftsensor (1) nach Anspruch 14.