DE19601078C2

DE19601078C2 - Druckkraftsensor

Info

Publication number: DE19601078C2
Application number: DE19601078A
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: FR2743631A1; US5974898A; JPH09196787A; FR2743631B1; DE19601078A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, mit wenigstens einer Meßmembran, die infolge einer sich ändernden, zu detektierenden Kraft eine Auslenkung erfährt. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß die Meßmembran (18) mit mehreren Membranen in keramischer Mehrlagentechnik ausgeführt ist und eine in den Kraftsensor (10) integrierte Vorrichtung (26) zu bauen ist, die eine definierte Auslenkung der Meßmembran (18) unabhängig von einer äußeren Kraft F ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Bekannte Druckkraftsensoren werden beispielsweise in einer sogenannten keramischen Mehrlagentechnik hergestellt, wobei eine Anzahl von Pasten und/oder sogenannten grünen Folien auf ein Substrat aufgebracht und mittels eines Brennvorganges (Sintern) mit diesem verbunden werden. Die Schichten werden hierbei so angeordnet, daß wenigstens eine Membran entsteht, die über einer Aussparung verläuft. Infolge einer äußeren Krafteinwirkung, beispielsweise eines Druckes, erfährt diese Membran eine Auslenkung, die der angreifenden Kraft proportional ist.

Aus der älteren Patentanmeldung P 44 41 487 ist bekannt, wie derartige Membranen weitgehend spannungsfrei und frei von Rissen herstellbar sind.

Aus der älteren Patentanmeldung P 44 39 297 ist ein als piezoelektrischer Sensor ausgebildeter Beschleunigungs- und Schwingungssensor bekannt, welcher ein beispielsweise plattenförmiges Piezoelement aufweist, dessen gegenüberliegende Hauptflächen jeweils mit mindestens einer metallischen Elektrode versehen sind. Die Richtung der Polarisation des Elementes bildet dabei einen rechten Winkel zur Richtung der originär einwirkenden Beschleunigung. Mit einer derartigen Vorrichtung ist die aktive Überprüfung der Funktionsfähigkeit des piezoelektrischen Sensors möglich, in dem ein elektrisches Signal an eine Elektrode angelegt und der hierdurch erzeugte piezoelektrische Effekt mit seiner mechanischen Deformation des Materials als elektrisches Prüf- und Justiersignal benutzt wird.

Ferner ist es bekannt, in Kraftsensoren passive und/oder aktive elektronische Bauelemente zu integrieren, die ein der Auslenkung der Membran, und damit ein der von außen angreifenden Kraft proportionales Meßsignal liefern. Hierzu werden beispielsweise piezoresistive Widerstände eingesetzt, die infolge der Krafteinwirkung ihren Widerstandswert verändern. Andererseits sind kapazitive Auswertemittel bekannt, bei denen auf Grund der Auslenkung der Membran eine Kapazität verändert wird. Die anliegenden Meßsignale werden einer Auswerteschaltung zugeführt, die ein der äußeren Krafteinwirkung analoges Signal bereitstellt und/oder eine Reaktion auslöst.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet gegenüber bekannten Sensoren den Vorteil, daß mit verhältnismäßig wenig Fertigungsaufwand ein Kraftsensor mit gleichbleibend hoher Meßgenauigkeit hergestellt werden kann, der unabhängig von der Einsatzdauer des Kraftsensors eine exakte Funktionsüberprüfung der Meßmembran zuläßt. Dadurch, daß der Meßmembran eine in den Sensor integrierte Vorrichtung zugeordnet ist, die eine definierte Auslenkung der Meßmembran unabhängig von einem äußeren Druck ermöglicht, ist es möglich, mittels der definierten Auslenkung der Meßmembran einen Vergleich des gelieferten Sensorsignales mit einem der definierten Auslenkung entsprechend erwarteten Sensorsignal durchzuführen. Infolge einer Abweichung zwischen dem gemessenen und dem erwarteten Meßsignal kann auf eine Alterung, beispielsweise auf eine Änderung der Elastizität der Meßmembran, geschlossen werden. Über das Erfassen und Registrieren der Signalabweichung (Offset) kann ein später von dem Kraftsensor geliefertes Meßsignal entsprechend abgeglichen werden, so daß infolge einer Änderung der Membransteifigkeit auftretende Meßfehler korrigierbar sind. Hierbei ist wenigstens ein piezoelektrischer Widerstand in eine keramische Mehrlagenanordnung integriert, dessen Spannungs-Kraft- Kennlinie bekannt ist. Durch Beaufschlagen dieses piezoelektrischen Aktors mit einer definierten Spannung ist dessen Kraft und damit die hiermit zusammenhängende Auslenkung der Membran bekannt, so daß eine exakt definierte Auslenkung der Meßmembran zur Überprüfung des Kraftsensors herbeigeführt werden kann. Dadurch, daß der piezoelektrische Aktor in einfacher Weise in den Kraftsensor integriert werden kann, ist während des Einsatzes der Kraftsensor in wählbaren Zeitintervallen, beispielsweise zwischen zwei geplanten Messungen, eine Überprüfung möglich. Es ist somit eine direkte Fehleranalyse des Kraftsensors ohne großen Aufwand und in automatisierbarer Abfolge realisierbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

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

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kraftsensor;

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kraftsensor nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kraftsensor nach einem dritten Ausführungsbeispiel und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kraftsensor nach einem vierten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten Kraftsensor. In der vorliegenden Beschreibung wird allgemein von einem Kraftsensor ausgegangen, wobei klar ist, daß dieser beispielsweise ein Drucksensor, ein Beschleunigungssensor oder ein anderer Sensor sein kann, der eine äußere angreifende Kraft detektiert.

Der Schichtaufbau kann beispielsweise entsprechend der älteren Patentanmeldung P 44 41 487.0 erfolgen. Der Kraftsensor 10 weist ein Substrat 12 auf, das eine Schicht 14 trägt. Die Schicht 14 kann aus einer oder auch, wie in dem gezeigten Beispiel, aus zwei Teilschichten bestehen. Die Schicht 14 überspannt bereichsweise eine Ausnehmung 16 und bildet hierdurch über der Ausnehmung 16 eine Meßmembran 18 aus. Die Ausnehmung 16 kann beispielsweise durch eine entsprechende, wenigstens einseitig offene Struktur in einer dem Substrat 12 zugeordneten Schicht ausgebildet sein. Die Membran 18 trägt an ihrer, der Ausnehmung 16 zugewandten Seite eine erste Elektrode 20, der gegenüberliegend angeordnet am Grund der Ausnehmung 16 eine zweite Elektrode 22 angeordnet ist. Die Elektroden 20 und 22 bilden ein kapazitives Auswertemittel 24. Innerhalb der Membran 18 ist eine allgemein mit 26 bezeichnete Vorrichtung, im gezeigten Beispiel ein piezoelek trischer Widerstand 28, angeordnet. Sowohl der Wider stand 28 als auch die Elektroden 20 und 22 sind über nicht dargestellte, elektrisch leitende Verbindungen mit einer Schaltungsanordnung verbunden.

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

Während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Kraft sensors 10, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Detektieren von Beschleunigungseinwirkungen oder von bestimmten Medien (Bremsflüssigkeit) ausgehenden Drücken, wird die Membran 18 mit einer Kraft F be aufschlagt. Die Kraft F bewirkt eine Auslenkung der Membran 18. Entsprechend dem Vektor der Kraft F wird die Membran 18 entweder in Richtung der Ausnehmung 16 oder entgegen der Ausnehmung 16 ausgelenkt. Je nach Elastizität der Membran 18 erfolgt bei einer einwir kenden Kraft F mit einer bestimmten Größe eine be stimmte Auslenkung. Infolge der Auslenkung ändert sich der Abstand zwischen den Elektroden 20 und 22 des kapazitiven Auswertemittels 24, so daß in all gemein bekannter Weise auf Grund der Variation der Kapazität auf die Größe der Kraft F geschlossen wer den kann. Infolge von natürlichen Alterungserschei nungen unterliegt die Membran 18 während ihres be stimmungsgemäßen Einsatzes einer Veränderung ihrer Steifigkeit, so daß bei Angreifen einer gleichgroßen Kraft F zu einem sehr viel späteren Zeitpunkt eine andere Auslenkung und damit eine andere Kapazitäts variation entsteht, die zu einem entsprechenden fehlerbehafteten Meßsignal führen würde.

Mittels des piezorelektrischen Widerstandes 28, der eine bekannte Spannungs-Kraft-Kennlinie besitzt, kann bei Anlegen einer bestimmten definierten Spannung, infolge der bekannt auftretenden Kraftwirkung eine definierte Auslenkung der Membran 18 hervorgerufen werden. Infolge dieser definierten Auslenkung erfolgt eine definierte Abstandsänderung zwischen den Elek troden 20 und 22 des kapazitiven Auswertemittels 24, so daß ein entsprechendes Sensorsignal abgegriffen werden kann. Ist nunmehr die Steifigkeit der Meß membran 18 gegenüber ihrem Ursprungszustand verän dert, führt die Beaufschlagung mit der definierten Kraft über den piezoelektrischen Widerstand 28 zu einer veränderten Auslenkung der Meßmembran 18. In folgedessen kommt es zu einer abweichenden Abstands änderung der Elektroden 20 und 22 und somit zu einem abweichenden Sensorsignal. Diese Sensorsignalabwei chung zwischen dem Zustand der ursprünglichen Meß membransteifigkeit und dem Zustand der veränderten Meßmembransteifigkeit, dem sogenannten Offset, kann in einer entsprechenden Auswerteschaltung erfaßt, das heißt abgespeichert werden, so daß bei späteren Mes sungen mittels des Kraftsensors 10 Abweichungen in folge einer Veränderung der Steifigkeit der Meß membran 18 berücksichtigt werden können. Entsprechend des gerade sich ergebenden Offset der Meßmembran 18 erfolgt eine entsprechende Korrektur des Meßsignals des Kraftsensors 10.

Eine weitere Möglichkeit des Tests besteht darin, in regelmäßigen Abständen, beispielsweise zwischen re gulär ablaufenden Messungen mittels des Kraftsensors 10 die Vorrichtung 26 zu aktivieren. Durch das Be aufschlagen der Meßmembran 18 mit einer definierten Kraft kann die tatsächliche Auslenkung der Meßmembran 18 mit einer erwarteten Auslenkung der Meßmembran 18 verglichen werden, und so bei Abweichungen auf eine Veränderung der Steifigkeit der Meßmembran 18 rück geschlossen werden. Je nach Einsatzgebiet des Kraft sensors 10 kann bei Überschreiten eines wählbaren Wertes zwischen der tatsächlichen und der erwarteten Auslenkung der Meßmembran 18 ein Signal bereitge stellt werden, das einen Austausch des Kraftsensors 10 signalisiert.

Insgesamt ist es also möglich, eine direkte Fehler analyse der Meßmembran 18 durch die in den Kraft sensor 10 integrierte Vorrichtung 26 durchzuführen. Das Integrieren der Vorrichtung 26, beispielsweise des piezoelektrischen Widerstandes 28, in den Kraft sensor 10 ist mittels bekannter Herstellungstechniken möglich. Insbesondere kann die Strukturierung und Herstellung des Kraftsensors 10 mit der Integration der Vorrichtung 26 kombiniert werden, so daß zusätz liche aufwendige Verfahrensschritte nicht notwendig sind. Vor allem lassen sich eindeutige, auf Fehler der Meßmembran 18 zurückführende Sensorsignalabwei chungen des Kraftsensors 10 ermitteln.

In der Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstel lung durch einen weiteren Kraftsensor 10 gezeigt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Be zugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

Der in Fig. 2 gezeigte Kraftsensor 10 ist ein piezo resistiver Sensor. Hierbei sind in die Meßmembran 18 piezoresistive Widerstände 30 angeordnet, die ein Auswertemittel 32 ergeben. Die durch den piezoelek trischen Widerstand 28 gebildete Vorrichtung 26 ist an der der Auslenkung 16 zugewandten Seite der Meß membran 18 angeordnet.

Infolge einer von außen einwirkenden Kraft F erfolgt wiederum eine Auslenkung der Meßmembran 18. Die Aus lenkung der Meßmembran 18 führt in den piezo resistiven Widerständen 30 zu einer Zug- und/oder Druckbeanspruchung. Auf Grund dieser Beanspruchung der Widerstände 30 stellt sich eine entsprechende Auslenkung der Meßmembran 18 proportionale Sensor spannung ein, die über nicht dargestellte Auswerte schaltung erfaßt und verarbeitet werden kann. Mittels des piezoelektrischen Widerstandes 28 kann wiederum eine definierte Auslenkung der Meßmembran 18 - wie es bereits in Fig. 1 erläutert wurde - erfolgen. Es ist also wiederum eine Veränderung der Steifigkeit der Meßmembran 18 ermittelbar und bei einer entspre chenden Beeinflussung des Sensorsignals des Kraft sensors 10 möglich.

In der Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Kraftsensors 10 gezeigt. Gleiche Teile wie in den vohergehenden Figuren sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert. Hierbei handelt es sich wiederum um einen kapazitiven Sensor. Die Vorrichtung 26 ist hierbei jedoch nicht in der Meßmembran 18, sondern unterhalb der Aus nehmung 16 in dem Substrat 12 angeordnet. Die Funk tion der Vorrichtung 26 ist wiederum die gleiche wie bei den Beispielen in den Fig. 1 und 2. Die Anord nung der Vorrichtung 26 in dem Substrat 12 bietet den Vorteil, daß diese gegenüber von außen angreifender Medien, die die Kraft F bewirken, geschützt ange ordnet ist. Mit der in dem Substrat 12 angeordneten Vorrichtung 26 kann wiederum eine Funktionskontrolle des Kraftsensors 10 durchgeführt werden. Indem der piezoelektrische Widerstand 28 mit einer definierten Spannung beaufschlagt wird, erfolgt ein Kraftaufbau im Substrat 12, der zu einer Auslenkung der Elektrode 22 führt. Hierdurch wird der Abstand zwischen den Elektroden 20 und 22 verändert, so daß eine entspre chende Änderung des Sensorsignals gemessen werden kann. Somit ist eine Funktionskontrolle des Kraft sensors 10 möglich. Die Anordnung der Vorrichtung 26 in dem Substrat 12 bietet jedoch nicht die vorteil hafte Möglichkeit, wie in den Fig. 1 und 2, neben der Funktionskontrolle gleichzeitig eine Veränderung einer Steifigkeit der Meßmembran 18 zu ermitteln.

In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsvariante eines Kraftsensors 10 gezeigt, dessen Aufbau und Funktionsweise vom Prinzip her dem bereits zu Fig. 1 beschriebenen Kraftsensor 10 entspricht, so daß nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Die in den Kraftsensor 10 integrierte Vorrichtung 26 wird hier bei von einer piezoelektrischen Tapemembran 32 gebil det, die gleichzeitig Bestandteil der die Ausnehmung 16 überspannenden Membran 18 ist. Mittels der piezo elektrischen Tapemembran 32, die eine bekannte Spannungs-Kraft-Kennlinie aufweist, kann wiederum eine definierte Auslenkung der gesamten Membran 18 und damit eine definierte Abstandsänderung zwischen den Elektroden 20 und 22 erzeugt werden. Durch die Integration der piezoelektrischen Tapemembran 32 in die Meßmembran 18 ergeben sich fertigungstechnische Vorteile, insbesondere wenn die piezoelektrische Tapemembran 32 gleichzeitig mehrere Kraftsensoren 10 eines Substrats 12 überspannen soll.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 4 ist jeweils ein Kraftsensor 10 mit einer Meßmembran 18 dargestellt. Selbstverständlich ist es möglich, einen Kraftsensor 10 mit mehreren Meßmembranen 18 aus zubilden, das heißt, der Kraftsensor 10 weist eine entsprechende Anzahl von Ausnehmungen 16 auf, über die jeweils eine Meßmembran 18 ausgebildet ist. Je denfalls ist jeder der Meßmembranen 18 beziehungs weise der Ausnehmungen 16 eine Vorrichtung 26 zuge ordnet, so daß die Meßmembranen 18 einzeln getestet und bei auftretender Abweichung infolge einer Ver änderung der Elastizität der Meßmembranen 18 nach stimmbar sind.

Claims

1. Kraftsensor, insbesondere Drucksensor, mit wenigstens einer Meßmembran, die infolge einer sich ändernden, zu detektierenden Kraft eine Auslenkung erfährt, wobei der Meßmembran wenigstens ein piezoelektrischer Widerstand (28) zugeordnet ist, dessen Spannungs-Kraft-Kennlinie bekannt ist und der eine definierte Auslenkung der Meßmembran (18) unabhängig von einer äußeren Kraft F ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (10) mit mehreren Membranen (18) in keramischer Mehrlagentechnik ausgeführt ist und daß wenigstens ein piezoelektrischer Widerstand (28) in die Mehrlagenanordnung (14, 18) integriert ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (28) auf einer der zu messenden Kraft F abgewandten Seite der Meßmembran (18) angeordnet ist.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bestandteil der Meßmembran (18) eine piezoelektrische Tapemembran (32) ist, deren Spannungs- Kraft-Kennlinie bekannt ist.

4. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (10) ein kapazitiver Sensor ist.

5. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (10) ein piezoresistiver Sensor ist.