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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Messung
von mechanischen Belastungen, wie z.B. Spannungen, an Strukturteilen insbesondere
eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Nachfolgend
wird auf weitere Anwendungsfelder im Bereich des Maschinen- und
Schwermaschinenbaus oder aber des Bauingenieurwesens o.ä. ohne Beschränkung der
Erfindung nicht weiter eingegangen, da eine Verwendung einer Sensoranordnung
in oder an einem Kraftfahrzeug die höchsten Anforderungen an eine
derartige Vorrichtung stellt. Kraftfahrzeuge werden daher ohne Verzicht
auf andere Einsatzgebiete mit vergleichbaren Anforderungen als Haupteinsatzgebiet
der vorliegenden Erfindung betrachtet.
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Moderne
Konzepte zur Brems- und Fahrwerkssteuerung könnten noch präziser arbeiten, wenn
die Brems- und Karosseriekräfte
gemessen würden.
Dies wäre
möglich,
indem man die Dehnung auf Strukturteilen insbesondere des Fahrwerks
misst. Derzeit werden Fahrzeugteile zu Entwicklungszwecken mit Dehnungsmessstreifen,
kurz DMS, ausgestattet, um aus den gemessenen Dehnungen die Kraftkomponenten
zu berechnen. Die Applikation von DMS mittels Klebstoffen auf Epoxidharz-Basis
ist jedoch aufgrund spezieller Vorbereitungen einer jeweiligen Einsatzstelle
arbeitsintensiv und durch eine langwierige Aushärtung unter definierten Umgebungsbedingungen
auch vergleichsweise zeitaufwändig
und damit teuer. Im automobilen Einsatz haben sich aufgeklebte DMS-Messstellen
als oftmals nicht ausreichend langzeitstabil dargestellt, da derartige
Verklebungen zum Kriechen mit einer unzulässigen Verfälschung der Messergebnisse
und schließlich
sogar zu einem unkontrollierten Abfallen neigen. Ferner gelten für Epoxidharze
sehr eingeschränkte Temperaturbereiche
für einen überhaupt
zulässigen Einsatz.
Diese zulässigen
Temperaturbereiche sind für
einen dauerhaften Einsatz in einem Kraftfahrzeug, das in der Regel
im Winter bei Temperaturen von unter –40°C noch betriebsbereit sein muss
und sich im Sommer oder auch im Dauerbetrieb auf über +140°C erhitzen
kann, zu restriktiv.
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Es
sind daher aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze für eine alternative
Befestigung von Sensoren bekannt: Neben Verschraubungen und Nietverbindungen
lehrt die
DE 25 53
350 A1 , die Messvorrichtung auf einer Trägerplatte
anzuordnen, die ihrerseits an einem Einsatzort direkt Punkt-verschweißt wird.
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Auch
die WO97/10486 lehrt das Schweißen zur
schnellen und sicheren Fixierung einer metallischen Trägerstruktur
an einem zu untersuchenden Objekt. Durch ein stoffschlüssiges Fügen, wie
z.B. Schweißen,
Hartlöten
oder ähnliche
Techniken, wird eine dauerhafte und Hysterese-arme Verbindung erzielt.
Eine Schrauben- oder Nietverbindung würde dagegen prinzipiell strukturschwächende Bohrungen z.B.
in einem Achsteil oder einem anderen stark beanspruchten Strukturteil
erfordern und eventuell Hysterese-Probleme durch Mikrobewegungen
im Fügespalt
verursachen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensoranordnung
der eingangs genannten Art unter Steigerung ihrer Zuverlässigkeit
weiterzubilden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Um eine zuverlässigere
Sensoranordnung zu schaffen, wird als Trägerplatte für den eigentlichen Dehnungsmesssensor
ein Metallsubstratplättchen
vorgesehen, das aus mindestens drei verschiedenen Zonen besteht. In
der Mitte der Trägerplatte
ist ein Material mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
angeordnet, auch low expansion Metall genannt. Das low expansion
Metall mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE von ca.
7μm/(m·K) ist
ver schweißt
mit Befestigungslaschen aus einem Stahlblech, vorzugsweise einem
austenitischen Stahl mit einem CTE von etwa 17·10–6 1/K.
Innerhalb der Trägerplatte
können
von der Zone mit dem low expansion Metall bis zu den Befestigungslaschen
hin zu einer weiteren Verbesserung der Anpassung einer jeweiligen
thermischen Ausdehnung auch weitere Materialübergänge vorgesehen werden. Dazu
können auch
die Verbindungen zwischen den einzelnen Zonen mit unterschiedlichen
Materialien selber als eigene Materialzone ausgebildet sein, insbesondere durch
Zusätze
im Rahmen eines jeweiligen Verbindungsprozesses.
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Die
Abstände
der Befestigungsbohrungen sind in einer Weiterbildung der Erfindung
vorteilhafterweise so gewählt,
dass in einem gewünschten Temperaturbereich
der Ausdehnungskoeffizient des gesamten Dehnungssensors mit dem
Ausdehnungskoeffizienten CTE an einem jeweiligen Mess-Einsatzort übereinstimmt,
also insbesondere einer entsprechenden Komponente des Fahrwerks
mit dem Ausdehnungskoeffizienten CTE von ca. 11ppm/K. Auch eine
Anpassung einer Trägerplatte
an eine Mikro-Punktverschweißung
ist möglich.
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So
treten unter Verwirklichung der vorstehenden Merkmale im Gegensatz
zu Anordnungen nach dem Stand der Technik bei Temperaturänderung
keine wesentlichen Scherkräfte
zwischen dem Material an einem jeweiligen Untersuchungsort und dem
Dehnungssensor mehr auf. Eine dauerhafte Fixierung des Dehnungssensors
und eine zuverlässige Funktion
der Sensoranordnung sind damit bei zeitsparender Applikation und
geringem Vorbereitungsaufwand gewährleistet.
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Als
Trägerplatte
für den
eigentlichen Dehnungsmesssensor ist nun eine Anordnung geschaffen
worden, die optimale Bedingungen für eine schnelle und sichere
Fixierung durch Schweißen schafft.
Zudem ist diese Trägerplatte
durch ihren thermisch besonders ausdehnungsarmen Mittelbereich der
Trägerplatte
auch besonders für
einen Einsatz hochwertiger Halbleitermesssensoren geeignet. Ein
nun einsetzbarer Dehnungssensor um fasst vorzugsweise einen Silizium-
oder sonstigen Halbleiterchip, in den eine Messbrücke sowie
notwendige Verstärker-
und Kalibrierschaltungen bereits komplett integriert sind. Der Chip
ist also als Single-Chip-Lösung auf
dem Metallsubstratplättchen
einer erfindungsgemäß aufgebauten
Trägerplatte
mittels Glaslot so gebondet, dass die Dehnung des Metalls ohne Hysterese übertragen
wird. Andererseits wird durch die geringe thermische Ausdehnung
gerade dieses Metallsubstratplättchens
sichergestellt, dass eventuell störende oder verfälschende
Thermospannungen zwischen Chip und Substrat möglichst gering gehalten werden.
Damit ist es im Gegensatz beispielsweise zu der Lehre der WO97/10486
möglich,
auch den eigentlichen Sensor selber nicht länger unter Inkaufnahme prinzipieller
Kopplungsverluste und Ungenauigkeiten der Messergebnisse auf einer
Trägerplatte anzukleben,
sondern so starr und verlustarm wie möglich zu verbinden.
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Ein
Bereich über
dem Chip mit Versorgungs- und Signalanschlüssen wird in einer Ausführungsform
der Erfindung durch einen Deckel oder eine Haube abgedeckt, so dass
ein Schutz vor schädigenden
Umgebungseinflüssen
gegeben ist. Insbesondere ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung damit bei einem
Einsatz an einem Kraftfahrzeug vor Steinschlag und Feuchtigkeitseintrag
in ausreichendem Masse geschützt.
In einer Weiterbildung ist ein Innenraum zwischen der Abdeckung
und dem Chip oder der Trägerplatte
mit einem plastischen und sich nur hinsichtlich der Messaufgabe
des Sensors unbedeutend verfestigenden Füllstoff verfüllt. Zur
Abdichtung des Chips mit allen Anschlüssen und zur gleichzeitigen
klebenden Befestigung des Deckels wird hier die Verwendung eines
Silikonmaterials bevorzugt, beispielsweise in Form eines Gels.
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Damit
ist eine vorstehend beschriebene Anordnung durch bekannte Schweißverfahren
schnell zu befestigen und dann auch über lange Standzeiten in der
Lage, zuverlässige
Messungen unterschiedlichster Beanspruchungen und Kräfte aufzunehmen. Dabei
sind in der beschriebenen Anordnung vorteilhafterweise prinzipiell
alle kommerziell erhältlichen Sensoren
einsetzbar, insbesondere Sensoren auf Halbleiterbasis und Hybridsensoren.
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Das
austenitische Material der Befestigungslaschen ist vorteilhafterweise
so ausgewählt,
dass es mit den Blechen, die in der Fahrzeugindustrie üblicherweise
verwendet werden, durch Verschweißen gut fügbar ist. Als Fügeverfahren
kommen z.B. MIG-Schweißen,
MIG-Hartlöten
oder Laserschweißen
infrage. Wenn Buckelschweißen
verwendet werden soll, sind statt der vorstehend angegebenen Befestigungsbohrungen
in dem Fachmann bekannter Weise entsprechende Buckel vorzusehen.
Gleiches gilt für
eine Anpassung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an eine Mikro-Punkt-Verschweißung.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend zur Darstellung weiterer
Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umsetzung
eines vorstehend beschriebenen Verfahrens unter Bezugnahme auf die
beigefügte
Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1: eine seitliche Schnittdarstellung
einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
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2: eine Draufsicht auf die
teilweise geschnittene Sensorvorrichtung von 1 und
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3: eine perspektivische
Darstellung mit Teilschnitt der Sensorvorrichtung von 1.
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In
der Abbildung von 1 ist
ein Dehnungssensor 1 dargestellt, der durch Aufschweißen auf eine
entsprechend zu untersuchende Fahrwerkskomponente, z.B. Querlenker
oder Achsteile, dauerhaft befestigt wird. Dazu ist als Trägerplatte 2 für den eigentlichen
Dehnungsmesssensor-Chip 3 ein Metallsub stratplättchen vorgesehen,
das aus drei Zonen 4, 5, 6 besteht. In
der Mitte ist ein Material 5 mit niedrigem thermischem
Ausdehnungskoeffizienten angeordnet, ein sog. low expansion Metall.
Hier wird ein Nickel-Stahl mit ca. 36–42% Nickelanteil in Form eines
dünnen
Blechs verwendet, wie er als Material u.a. für Schattenmaskenrahmen bei
Fernsehgeräten mit
Braunschen Röhren
bekannt ist. Das low expansion Metall mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
CTE von ca. 7μm/(mK)
ist mit Befestigungslaschen 7, 8 aus einem austenitischen
Stahlblech mit einem CTE von etwa 17·10–6 1/K über Schweißnähte 9, 10 verbunden.
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Das
low-expansion Mittelstück 5 schafft
die Grundlage für
eine problemlose, Hysterese-arme, starre Befestigung des Mess-ASIC 3 mittels
Glasbond 11 auf der Trägerplatte 2.
Auf diesem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis 3 sind
Kalibrier- und Auswerteschaltungen mit den erforderlichen Verstärker-, Analog-/Digital-Wandler-
und Codiervorrichtungen für
eine störungsfreie Übertragung enthalten.
Der integrierte Schaltkreis 3 ist als Single-Chip-Lösung mit
einer piezzoresistiven Messbrücke
realisiert. Der durch den Bereich 5 in der Trägerplatte 2 geschaffene
Ausgleich bzw. Angleich der thermischen Dehnung im Verbindungsbereich
des Sensor-Chips 3 macht diese dauerhaft sichere und sehr
Hysterese-arme Verbindung des Sensor-Chips 3 auf der Trägerplatte
als mechanischer Einheit überhaupt
erst möglich.
Ferner wird die Fertigung rationalisiert und bei minimiertem Applikationsaufwand durch
die Single-Chip-Lösung
auch vereinfacht.
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Der
Mess-ASIC 3 ist mittels einer haubenförmigen Gehäuseabdeckung 12 vor äußeren Umwelteinflüssen und
insbesondere direkter mechanischer Einwirkung geschützt, wie
z.B. durch Schlag oder hohe Wärmestrahlung.
Die Gehäuseabdeckung 12 wird
dabei in fertigungstechnisch einfach realisierbarer Weise durch
eine plastische Vergussmasse 13 nach außen hin abdichtend über dem
Mess-ASIC 3 fixiert. Da als Vergussmasse 13 ein
Silikon verwendet wird, wird bei elektrischer und weitgehend thermi scher
sowie chemischer Entkopplung vom unmittelbaren Umfeld die eigentlichen
Messfunktion des Mess-ASIC 3 nicht beeinträchtigt.
Eine Signalübertragung
an eine nicht weiter dargestellte externe Auswertungs- und/oder
Signalsammelstelle erfolgt über einen
Kabelabgang 14. Über
den Kabelabgang 14 wird der Mess-ASIC 3 von einer
gedruckten Schaltung 15 über Bonddrähte 16 hin zu Kontaktierungspins 17 in
an sich bekannter Weise kontaktiert. Damit ist der gesamte Aufbau
der Sensoranordnung 1 für eine
Serienfertigung unter Verwendung von Bestückungsautomaten geeignet.
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Die
zusammengebaute Konstruktion der Trägerplatte 2 erlaubt
eine Temperaturanpassung an das Bauteil, an dem die Dehnung bzw.
Kraft gemessen werden soll. Damit ist ein mechanisch belastbarer
Außenbereich
des Dehnungssensors 1 als geschweißte Konstruktion dargestellt
aus einem low-Expansion-Material 5 mit einem darauf starr
gebondetem Dehnungsmesschip 3 und einem high-expansion-Material 4, 6 zur
Installation an eine Strukturkomponente zu Messzwecken, z.B. an
eine Fahrwerkskomponente zur Fahrwerkskraftmessung. Dabei werden
die Materialien und/oder die Längenverhältnisse
der Materialien 4, 5, 6 in der Sensoranordnung 1 so
gewählt,
dass die thermische Dehnung der gesamten Sensoranordnung 1 der
thermischen Dehnung einer jeweiligen Fahrwerkskomponente angepasst
ist. Damit steht dem beschriebenen Dehnungssensor 1 eine
Nutzung zur Erfassung von Fahrwerkskräften offen, indem der Sensor 1 an
Achsteilen, Querlenkern, Federdomen oder anderen geeigneten Stellen
der Fahrwerks- und Karosseriestruktur stoffschlüssig befestigt wird.
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Die
Anbringung der Sensoranordnung 1 ist durch bekannte Schweißverfahren
einfach und schnell möglich.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind Schweißlaschen
in Form der als Befestigungslaschen 7, 8 ausgebildeten
Metallsubstrat-Zonen 4, 6 vorgesehen. Das Gehäuse 12,
das eine von dem jeweiligen Messobjekt abgewandte Seite der Sensoranordnung 1 schützt, und
der Kabelabgang 14 gewähren
einen guten Zugang zu den je weiligen Schweißpunkten der Befestigungslaschen 7, 8 an der
Trägerplatte 2.
Die Darstellung des Ausführungsbeispiels
in perspektivischer Ansicht von 3 zeigt die
kompakte Bauweise dieser Sensoranordnung 1. Diese Bauweise
garantiert zusammen mit der guten Zugänglichkeit der Schweißpunkte
eine schnelle und sichere Anbringung der beschriebenen Sensoranordnung 1.
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Fahrwerkskräfte sind
durch die Verschweißung über die
Befestigungslaschen 7, 8 ohne die bei geklebten
Folien-DMS gefürchteten
Langzeitkriecheffekte messbar. Dabei wurden jegliche Verklebungen
auf einem Bauteil und/oder auf den Träger 2 der Sensoranordnung 1 eliminiert.
Zur Auslegung und Anordnung der aufgebauten Sensoranordnung 1 sind
lediglich Daten aus Finite Elemente- oder FEM-Rechnungen erforderlich,
zur Messung die Anbringung und Kalibrierung eines jeweiligen Sensors 1.
Eine Bestimmung von Einzelkomponenten jeweiliger Kräfte ist
durch geeignete Anbringung mehrerer Sensoren 1 durchführbar. Je
nach Befestigungsort an einem Bauteil und Lage/Richtung können Längs-, Quer-,
Aufstands- und andere Kraftvektoren nun exakt und auch langzeitstabil
erfasst werden.
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Ein
erster Funktionstest wird an der fertig aufgebauten Sensoranordnung 1 selbstverständlich bereits
bei dessen Herstellung durchgeführt,
beispielsweise über
die Außenanschlüsse des
Kabelabgangs 14. Zur genauen Erfassung von Fahrwerkskräften ist
weiter eine Temperatur- und Dehnungskalibrierung jedes Sensors 1 erforderlich.
Eine Vorkalibrierung der Empfindlichkeit des Sensors 1 erfolgt vor
dem Verschweißen
und gleicht im Herstellprozess durch den Glasbondprozess, Metalltoleranzen usw.
bedingte Empfindlichkeitsschwankungen und Temperaturgang aus.
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Nachdem
dann vor Ort anhand der Strukturberechnung eines zu untersuchenden
Fahrwerks geeignete Stellen ausgewählt wurden, werden Empfindlichkeit
und Temperaturgang kalibriert. Die er mittelten Daten lassen sich
mit geringem Verlust der Genauigkeit für weitere Sensoren
1 für diese
Position verwenden, insbesondere für eine Serienfertigung, so
dass die Einzelkalibrierung weiterer Sensoren unverschweißt erfolgen
kann, also vor dem eigentlichen Einsatz. Eine weitere Kalibrierung
wird dann nach der stoffschlüssigen
Montage am Bauteil bei Raumtemperatur durchgeführt. Hier werden Verspannungen der
Sensoranordnung
1 ausgeglichen, die im Zuge des Verschweißens auftreten.
Der Nullpunkt einer Messung wird im verschweißten Zustand dann am stehenden
Fahrzeug in der Sensoranordnung
1 eingestellt. Weitere
aus dem Stand der Technik bekannte Kompensationsverfahren können ebenfalls
zusätzlich
eingeführt
werden. Derartige Kompensationsverfahren zur Korrektur von Temperatur- und/oder
Dehnungseinflüssen
sind jedoch aufgrund des gewählten
mehrteiligen und anpassbaren Aufbaus der Trägerplatte
2 vor allem
nicht in dem Maße erforderlich,
wie dies z.B. in einem Aufbau gemäß der Lehre der
DE 25 53 350 A1 der Fall
ist.
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Damit
ist vorstehend ein thermisch angepasster integrierter Vielzweck-Dehnungssensor 1 zum
Aufschweißen
auf Fahrwerkskomponenten zur direkten Kraftmessung beschrieben worden.
Diese Anordnung ist als auch in vorhandene Messsysteme integrierbare
Sensoranordnung vorstellt worden, die als schweißbares Teil in vorteilhafter
sowohl den thermischen Ausdehnungseigenschaften eines empfindlichen
Messchips, als auch den thermischen Ausdehnungseigenschaften eines
jeweiligen Messobjektes angepasst ist. Diese doppelte Anpassung
garantiert bei einfachem Gesamtaufbau der Sensoranordnung 1 eine
dauerhaft gute, zuverlässige
und schnelle Messung einer jeweiligen Belastung an einem Bauteil.
Das beschriebene Sensorbauteil ist daher auch für einen Serieneinsatz in der
Automobilindustrie tauglich.