DE19601077C2

DE19601077C2 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE19601077C2
Application number: DE1996101077
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Golderer; Andreas Reppich; Manfred Moser; Annette Seibold; Reiner Schuetz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-01-13
Filing date: 1996-01-13
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2016-01-14
Also published as: DE19601077A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, mit wenigstens einem Erfassungsmittel zum Erfassen einer auf den Kraftsensor wirkenden Kraft und Auswertemitteln zum Registrieren einer Zustandsänderung der Erfassungsmittel. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß der Kraftsensor (10) zusätzliche Mittel zum Bestimmen einer Güte eines Mediums aufweist, von dem die zu detektierende Kraft F ausgeht.

Description

Die Erfindung betrifft Kraftsensoren, insbesondere Drucksensoren, mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Kraftsensoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese weisen wenigstens ein Erfassungsmittel auf, mit dem eine auf den Kraftsensor wirkende Kraft erfaßt werden kann. Als Erfassungsmittel werden beispielsweise Meßmembranen eingesetzt, die auf Grund der einwirkenden Kraft eine Auslenkung erfahren. Den Erfassungsmitteln sind Auswertemittel zugeordnet, die in Abhängigkeit der Auslenkung der Meßmembran ein Meßsignal bereitstellen, das der auf den Kraftsensor einwirkenden Kraft proportional ist. Bekanntermaßen werden als Auswertemittel kapazitive oder piezoresistive Auswertemittel eingesetzt.

Ein derartiger Kraftsensor ist aus der DE 34 26 165 A bekannt, welche einen insbesondere als Drucksensor ausgebildeten Kraftsensor beschreibt, mit einem unter Last federnd nachgiebigen Meßglied und mit einer Anordnung zur kapazitiven Erfassung der lastbedingten Einfederung des Meßgliedes. Die Anordnung umfaßt eine erste, als Meßglied ausgebildete, bewegliche Dünnschichtelektrode und eine zweite, auf einem Substrat angeordnete, ebenfalls als Dünnschichtelektrode ausgebildete ortsfeste Elektrode, welche zu einer Baugruppe verbunden sind. Für den Fall gesteigerter Ansprüche an die Meßqualität des Kraftmessers können dabei gesonderte Fühler für einzelne Störgrößen, zum Beispiel die Luftfeuchtigkeit, vorgesehen werden, mit deren Ausgangsgrößen eine zusätzliche Auswerteschaltung beaufschlagt wird. Mit diesen zusätzlichen Meßwerten kann der eigentliche Meßwert korrigiert werden.

Aus der JP 2-269912 A, Patent Abstracts of Japan, ist ein Sensor zur Bestimmung der Temperatur, der Feuchtigkeit und des Druckes der Umgebungsluft bekannt, wobei die Sensorsignale in einem zentralen Rechner verknüpft werden. Durch einen schichtförmigen Aufbau ist es möglich, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck auf dem gleichen Silikonchip exakt zu messen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß in einfacher Weise neben der Detektion der auf den Kraftsensor einwirkenden Kraft eine Aussage über den Zustand des Mediums getroffen werden kann, das die Kraft auf den Kraftsensor ausübt. Dadurch, daß der Kraftsensor ein zusätzliches Mittel zum Bestimmen einer Güte des Mediums aufweist, von dem die zu detektierende Kraft ausgeht, wobei das Mittel vorzugsweise eine Meßeinrichtung zum Bestimmen eines Wassergehaltes des Mediums ist, läßt sich in einfacher Weise ein sehr kompaktes Sensorelement schaffen, das neben seiner eigentlichen Aufgabe eine weitere Funktion, nämlich die der Gütebestimmung, übernehmen kann. Hierbei ist vorgesehen, daß die Meßeinrichtung eine kapazitive Meßeinrichtung ist, deren zwischen den Elektroden anliegendes elektrisches Feld in das die zu detektierende Kraft ausübende Medium eingreift. Hierdurch kann je nach Zustand, das heißt Zusammensetzung des Mediums, Einfluß auf die Kapazität der Meßeinrichtung genommen werden. Nimmt beispielsweise bei dem Medium der Anteil von Wasser an der Gesamtzusammensetzung zu, ändert sich dessen Dielektrizitätszahl, so daß sich der Einfluß auf das elektrische Feld der kapazitiven Meßeinrichtung entsprechend ändert. Diese Änderung führt zu einer Änderung des Meßsignals, so daß auf eine entsprechende Zustandsänderung, beziehungsweise auf eine entsprechende Güte des Mediums rückgeschlossen werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor mit der integrierten Gütebestimmung handelt es sich zum Beispiel um einen Sensor zum Messen eines von einer Bremsflüssigkeit in Kraftfahrzeugen ausgehenden Druckes und gleichzeitig zur Gütebestimmung der Bremsflüssigkeit, wobei die kapazitive Meßeinrichtung in einer Ebene angeordnete Elektroden aufweist, zwischen denen das elektrische Feld anliegt, und die Elektroden von ineinandergreifenden Kammstrukturen gebildet werden. Hierdurch lassen sich neben der Überwachung des Bremsdruckes, der beispielsweise bei Kraftfahrzeugen mit einem automatischen Bremssystem notwendig ist, ohne zusätzliche externe Messungen Informationen über den Zustand der Bremsflüssigkeit ermitteln, so daß bei einer zu großen Abweichung der Güte der Bremsflüssigkeit von einem Sollzustand über die zusätzliche Meßeinrichtung ein entsprechendes Signal bereitgestellt werden kann, das beispielsweise eine Anzeigeeinrichtung aktiviert, die einen Austausch der Bremsflüssigkeit anzeigt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Meßeinrichtung eine Schutzeinrichtung für das Auswertemittel des Kraftsensors bildet. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, die Empfindlichkeit und damit die Genauigkeit des Kraftsensors zu erhöhen. Indem die Meßeinrichtung zwischen dem Auswertemittel, das beispielsweise ein kapazitives Auswertemittel ist, und dem Medium angeordnet ist, von dem die Kraft ausgeht, kann das kapazitive Auswertemittel des Kraftsensors gegenüber dem Medium abgeschirmt werden, so daß von dem Medium ausgehende Einflüsse, beispielsweise auf Grund einer Änderung der Zusammensetzung des Mediums, auf das kapazitive Auswertemittel minimiert werden können. Hierdurch ist eine gleichbleibende, zuverlässige Ermittlung der von dem Medium ausgehenden Kraft, insbesondere des Druckes, möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den übrigen Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftsensor und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Meßeinrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 ist ein im allgemeinen mit 10 bezeichneter Kraftsensor dargestellt. Der Kraftsensor 10 besitzt ein Substrat 12, das aus einer oder aus mehreren einzelnen Lagen einer Keramik bestehen kann. Eine oberste Lage des Substrates 12 besitzt eine Ausnehmung 16, über der die Schicht 14 eine Meßmembran 18 ausbildet. Zu einer Herstellungsmög lichkeit des Kraftsensors wird auf die ältere Patent anmeldung P 44 41 487 verwiesen.

Die Meßmembran 18 bildet ein Erfassungsmittel 20 zum Erfassen einer von außen an den Kraftsensor 10 an greifenden Kraft F. Die Kraft F kann beispielsweise ein Druck, eine Beschleunigung oder eine andere phy sikalische Größe sein. Der Meßmembran ist ein Aus wertemittel 22 zugeordnet, das eine erste Elektrode 24 und eine zweite Elektrode 26 aufweist. Die erste Elektrode 24 ist an der Unterseite der Meßmembran 18 angeordnet, während die zweite Elektrode 26 am Grund der Ausnehmung 16 der Elektrode 24 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Elektroden 24, 26 bilden be kannterweise ein kapazitives Auswertemittel 22. In die Meßmembran 18 ist eine Meßeinrichtung 28 inte griert, die eine Elektrodenanordnung 30 aufweist, die an Hand Fig. 2 näher erläutert wird. Die Elektroden anordnung 30 besitzt eine erste Elektrode 32 und eine zweite Elektrode 34, die kammartig ineinandergreifen und eine Kammstruktur 36 bilden. Die Elektroden 32 und 34 sind hierbei in einer gemeinsamen Ebene ange ordnet. Die Ausbildung als Kammstruktur 36 ist le diglich beispielhaft. So kann selbstverständlich auch eine mäanderförmige Anordnung, eine plattenförmige Anordnung oder eine Spulenanordnung der Elektroden 32 und 34 gewählt sein. Die Elektroden 32 und 34 bilden eine kapazitive Meßeinrichtung 38, wobei bei allen Elektroden 32, 34 bei angelegter Spannung zwischen diesen eine bestimmte Kapazität anliegt.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kraftsensor 10 übt folgende Funktionen aus:

Von einem nicht dargestellten Medium, beispielsweise einer Bremsflüssigkeit in einem Bremsflüssigkeits kreislauf eines Kraftfahrzeuges, wird ein bestimmter Druck auf den Kraftsensor 10 ausgeübt. Hierdurch wirkt eine Kraft F auf die Meßmembran 18 und lenkt diese aus. Infolge der Auslenkung der Meßmembran 18, wobei diese von einer Steifigkeit der Meßmembran ab hängt, die über eine Anzahl und eine Stärke der die Schicht 14 ergebenden Teilschichten einstellbar ist, wird der Abstand der Elektroden 24 und 26 des kapazi tiven Auswertemittels 22 verändert. Hierdurch kommt es zu einer Kapazitätsvariation, so daß bei an einer an den Elektroden 24 und 26 anliegenden Spannung ein der Auslenkung der Meßmembran 18 und damit der Größe der Kraft F proportionales Meßsignal abgegriffen wer den kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der elektrischen Verbindungen zu den Elektroden 24 und 26 und der Auswerteschaltung ver zichtet.

Gleichzeitig wird an die Elektroden 32 und 34 der kapazitiven Meßeinrichtung 38 eine Spannung angelegt, so daß sich zwischen den Elektroden 32 und 34 ein elektrisches Feld aufbaut. Dieses elektrische Feld baut sich bekannterweise nicht nur auf direktem Wege zwischen den Elektroden 32 und 34 auf, sondern bildet auch ein sogenanntes Streufeld aus. Dieses Streufeld reicht über die Schicht 14 hinaus bis an die Ober seite des Kraftsensors 10, an dem das Medium die Kraft F ausübt. Infolge einer bestimmtem Dielek trizitätszahl ε des Mediums wird das Streufeld des kapazitiven Auswertemittels 36 beeinflußt. Ändert sich die Dielektrizitätszahl ε, erfolgt eine unter schiedliche Beeinflussung des Streufeldes, woraus eine Kapazitätsvariation zwischen den Elektroden 32 und 34 als kapazitive Auswertemittel 36 resultiert. Somit wird es möglich, über die kapazitive Meßein richtung 38 eine bestimmte Zustandsänderung des Mediums, welches die Kraft F auf die Meßmembran 18 ausübt, zu detektieren. Es sind selbstverständlich nur solche Zustandsänderungen detektierbar, die eine Änderung der Dielektrizitätszahl ε zur Folge haben. Wird der Kraftsensor 10 beispielsweise in einem Bremssystem eines Kraftfahrzeuges eingesetzt, und ist das Medium hierbei die Bremsflüssigkeit, kann eine Gütebestimmung der Bremsflüssigkeit erfolgen. Bekann termaßen führt eine Verwässerung der Bremsflüssig keit, das heißt, der Anteil an Wasser am Gesamt volumen der Bremsflüssigkeit steigt, zu einer Erhö hung der Dielektrizitätszahl ε der Bremsflüssigkeit. Diese Erhöhung der Dielektrizitätszahl ε führt zu einer Beeinflussung des erwähnten Streufeldes und da mit zu einer Kapazitätsveränderung der kapazitiven Meßeinrichtung. Diese wird über eine entsprechende Auswerteschaltung erfaßt. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise eine Anzeigeeinrichtung ansteuern, die bei Erreichen eines bestimmten Wassergehaltes in der Bremsflüssigkeit ein Signal bereitstellt, das einen Austausch der Bremsflüssigkeit verlangt.

Die Elektroden 32 und 34 der kapazitiven Meßein richtung 38 bilden gleichzeitig eine Schutzeinrich tung 40 für das kapazitive Auswertemittel 22. Mittels der kapazitiven Meßeinrichtung 38 erfolgt somit eine Abschirmung des kapazitiven Auswertemittels 22 gegen über dem Medium, von dem die Kraft F ausgeht, so daß eine Änderung der Dielektrizitätszahl ε des Mediums auf das kapazitive Auswertemittel 22, das ausschließ lich auf die Auslenkung der Meßmembran 18, damit auf die Größe der Kraft F reagieren soll, verhindert wer den kann. Insgesamt ist somit ein kombinierter Kraft sensor 10 geschaffen, der neben der Sensierung der Kraft F eine Gütebestimmung des angreifenden Mediums durchführen kann. Die Meßeinrichtung 28 kann während der Herstellung des Kraftsensors 10 in einfacher Weise mittels bekannter Verfahrensschritte integriert werden. Durch die vergrabene Anordnung in der Meß membran 18 ist die Meßeinrichtung 28 gleichzeitig gegenüber etwaiger aggressiver Bestandteile des an greifenden Mediums geschützt angeordnet.

Nach einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, daß der Kraftsensor 10 insgesamt eine Vielzahl von Meßmembranen 18 aufweist, so daß mittels eines einzigen Kraftsensors 10 insgesamt eine Kraft messung, insbesondere eine Druckmessung von unter schiedlichen Druckquellen gleichzeitig erfolgen kann. Beim Einsatz im Kraftfahrzeug kann hiermit beispiels weise in einem Bremssystem der Druck an den vier Rädern des Kraftfahrzeuges mit einem Kraftsensor 10 gemessen werden.

In diesem Falle kann jedem der Meßmembranen 18 eine Meßeinrichtung 28 zugeordnet sein. Insgesamt läßt sich der gesamte Kraftsensor 10 mittels bekannter Verfahren der Herstellung von Mehrschicht-Micro hybriden erzielen. Durch die bekannten Verfahren kön nen die aktiven und passiven elektronischen Bauele mente in den Drucksensor 10 gleichzeitig mit in tegriert werden, so daß insgesamt der Verdrahtungs- und Kontaktierungsaufwand des gesamten Kraftsensors 10 vereinfacht wird.

Claims

1. Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, mit wenigstens einer Meßmembran zum Erfassen einer auf den Kraftsensor wirkenden Kraft und mit einem kapazitiven Auswertemittel zum Registrieren einer Zustandsänderung der Meßmembran sowie mit einer zusätzlichen kapazitiven Meßeinrichtung zum Bestimmen der Dielektrizität (ε) eines Mediums, von dem die zu detektierende Kraft F ausgeht, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Meßeinrichtung (38) in einer Ebene angeordnete Elektroden (32, 34) aufweist, zwischen denen das elektrische Feld anliegt, und daß die Elektroden (32, 34) von ineinandergreifenden Kammstrukturen (36) gebildet werden.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (32, 34) eine mäanderförmige Struktur besitzen.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (28) eine Schutzeinrichtung (40) für das Auswertemittel (22) des Kraftsensors (10) bildet.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung in die Meßmembran des Kraftsensors (10) integriert ist.

5. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (10) mehrere Meßmembranen (18) aufweist und jeder derselben eine Meßeinrichtung (28) zugeordnet ist.