DE19601079A1

DE19601079A1 - Force sensor esp. pressure sensor

Info

Publication number: DE19601079A1
Application number: DE1996101079
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Golderer; Andreas Reppich; Manfred Dipl Ing Moser; Annette Dipl Phys Seibold; Reiner Dipl Ing Dr Schuetz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-01-13
Filing date: 1996-01-13
Publication date: 1997-07-24

Abstract

The force sensor has at least one detector for detecting a force acting on a force sensor (10). It also includes an analyser (22) for registering a change in state of the detector. The analyser is formed of piezoresistive resistors (24) integrated in the force sensor (10). Preferably the resistors are arranged inside the detector (20). The detector may be a vibrating membrane (18) which vibrates freely over a pick-up. The membrane may be formed of at least one tape (26). The resistors may be arranged between two tapes of the membrane. Alternatively the resistors may be arranged on a side of the detector furthest from the side on which the force acts.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbeson dere einen Drucksensor, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.The invention relates to a force sensor, in particular another a pressure sensor with which in the preamble of Claim 1 mentioned features.

State of the art

Kraftsensoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So ist beispielsweise ein piezoresistiver Drucksensor bekannt, der wenigstens einen piezoresistiven Wider stand mit bekannter Druck-Spannungs-Kennlinie auf weist. Dieser piezoresistive Widerstand wird von der zu messenden Kraft beaufschlagt, so daß in bekannter Weise ein der Kraft proportionales Spannungssignal abgegriffen werden kann. Bei den bekannten piezo resistiven Drucksensoren ist nachteilig, insbesondere wenn diese zum Messen von aggressiven Medien aus gehenden Kräften beziehungsweise Drücken eingesetzt werden, daß die piezoresistiven Widerstände mit einer Schutzschicht überzogen werden müssen. So werden bei spielsweise als Dickschichthybride ausgebildete piezoresistive Widerstände auf einem Aluminiumoxid-Substrat mit einer Glasschicht abgedeckelt. Hierbei ist nachteilig, daß durch die Glasabdeckung keine ebene Oberfläche erzielt werden kann, so daß dies zu einer Verfälschung des Meßsignals führt. Weiterhin sind druckdichte Durchkontaktierungen erforderlich, die ein Verbinden der piezoresistiven Widerstände mit einer Auswerteschaltung ermöglichen.Force sensors of the generic type are known. For example, a piezoresistive pressure sensor known, the at least one piezoresistive contra got up with the known pressure-voltage characteristic points. This piezoresistive resistor is used by the applied force to be measured, so that in known A voltage signal proportional to the force can be tapped. In the known piezo resistive pressure sensors is disadvantageous, in particular if this is for measuring aggressive media going forces or pressures used be that the piezoresistive resistors with a Protective layer must be coated. So at trained for example as a thick-film hybrid Piezoresistive resistors on an aluminum oxide substrate covered with a layer of glass. Here is disadvantageous that through the glass cover none flat surface can be achieved, so this too leads to a falsification of the measurement signal. Farther pressure-tight vias are required, connecting the piezoresistive resistors with enable an evaluation circuit.

Weiterhin sind Kraftsensoren bekannt, die als Erfas sungsmittel Meßmembranen aufweisen, die aufgrund der einwirkenden Kraft eine Auslenkung erfahren.Furthermore, force sensors are known which are used as detection have measuring membranes, due to the experience a deflection.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß in ein facher Weise ein medienresistenter Kraftsensor ge schaffen werden kann. Dadurch, daß das Auswertemittel von in den Kraftsensor integrierten, piezoresistiven Widerständen gebildet wird, das heißt, diese sozu sagen vergraben angeordnet sind, ist es vorteilhaft möglich, diese einerseits hermetisch dicht und somit geschützt anzuordnen und andererseits eine Kontak tierung mittels nicht notwendigerweise druckdichter Kontaktierungen zu ermöglichen.The force sensor according to the invention with the in the claim Features mentioned 1 offers the advantage that in one a media-resistant force sensor can be created. Because the evaluation means of piezoresistive integrated in the force sensor Resistance is formed, that is, so to speak say buried, it is advantageous possible, on the one hand, hermetically sealed and therefore order protected and on the other hand a contact not necessarily pressure-tight To enable contacting.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß die piezoresistiven Widerstände innerhalb und/oder unterhalb eines als Meßmembran ausgebildeten Erfassungsmittels des Kraftsensors angeordnet sind. In a preferred embodiment of the invention is provided see that the piezoresistive resistors inside and / or below one designed as a measuring membrane Detection means of the force sensor are arranged.

Hierdurch wird es möglich, den Kraftsensor mittels bekannter Verfahrensschritte der Herstellung von ke ramischen Mehrlagenschaltungen herzustellen. Durch die integrierte beziehungsweise vergrabene Anordnung der piezoresistiven Widerstände werden diese komplett durch das umschließende keramische Material gegen äußere Einflüsse geschützt. Die Leitungsführung zur Kontaktierung der piezoresistiven Widerstände kann sehr vorteilhaft mit Hilfe von Durchkontaktierungen nach innen beziehungsweise auf eine dem Medium abge wandten Seite erfolgen.This makes it possible to use the force sensor known process steps of the production of ke to manufacture ramische multilayer circuits. By the integrated or buried arrangement the piezoresistive resistors will complete them through the enclosing ceramic material protected from external influences. The routing to The piezoresistive resistors can be contacted very advantageous with the help of vias inwards or on one of the medium side.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous embodiments of the invention result from the rest of the subclaims mentioned features.

drawings

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is in one embodiment example with reference to the accompanying drawings explained. Show it:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftsensor und Fig. 1 is a schematic sectional view through a force sensor according to the invention and

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Kraftsensor nach einer weiteren Ausführungsvariante. Fig. 2 is a schematic sectional view through a force sensor according to the invention according to a further embodiment.

Description of the embodiments

In der Fig. 1 ist ein mit 10 bezeichneter Kraft sensor dargestellt. Der Kraftsensor 10 besitzt ein Substrat 12, das aus einer oder aus mehreren ein zelnen Lagen einer Keramik bestehen kann. Das Sub strat 12 trägt eine Schicht 14, die ebenfalls aus einer oder mehreren Lagen einer Keramik bestehen kann. Eine obere Lage des Substrats 12 besitzt eine Ausnehmung 16, über der die Schicht 14 eine Meß membran 18 ausbildet. Zu einer Herstellungsmöglich keit des Kraftsensors 10 wird auf die ältere Patent anmeldung P 44 41 487.0 verwiesen.In Fig. 1, a designated 10 force sensor is shown. The force sensor 10 has a substrate 12 , which can consist of one or more individual layers of a ceramic. The sub strate 12 carries a layer 14 , which may also consist of one or more layers of ceramic. An upper layer of the substrate 12 has a recess 16 over which the layer 14 forms a measuring membrane 18 . For a manufacturing possibility of the force sensor 10 , reference is made to the older patent application P 44 41 487.0.

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. Werden die Kraftsensoren 10 beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik zum Ermit teln eines Bremsdruckes im Bremssystem des Kraftfahr zeugs eingesetzt, geht die Kraft F beispielsweise von einer als Druckmedium anliegenden Bremsflüssigkeit aus, die mehr oder weniger aggressive Bestandteile aufweisen kann.The measuring diaphragm 18 forms a detection means 20 for detecting an external force F applied to the force sensor 10. The force F can be, for example, a pressure, an acceleration or another physical quantity. If the force sensors 10 are used, for example, in automotive engineering to determine a brake pressure in the braking system of the motor vehicle, the force F is based, for example, on a brake fluid present as a pressure medium, which may have more or less aggressive components.

Der Meßmembran 18 ist ein Auswertemittel 22 zugeord net, das wenigstens einen piezoresistiven Widerstand 24, im gezeigten Beispiel zwei piezoresistive Wider stände 24, aufweist. Die piezoresistiven Widerstände 24 sind an der Unterseite der Meßmembran 18 im Be reich der Ausnehmung 16 angeordnet. Die piezo resistiven Widerstände 24 sind über nicht darge stellte Verbindungsleitungen mit einer Auswerteschal tung verbunden. Die Verbindungsleitungen werden hier zu beispielsweise durch ebenfalls nicht dargestellte Durchkontaktierungen innerhalb des Substrats 12 ge führt beziehungsweise von diesen gebildet.The measuring membrane 18 is an evaluation means 22 zugeord net having at least one piezoresistive resistor 24 , in the example shown two piezoresistive opponents 24 , has. The piezoresistive resistors 24 are arranged on the underside of the measuring membrane 18 in the area of the recess 16 . The piezo resistive resistors 24 are connected to an evaluation circuit via connection lines not shown. The connecting lines are here, for example, through vias (not shown) within the substrate 12 leads ge or formed by these.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel be sitzt der Kraftsensor 10 eine aus zwei sogenannten Tapes 26 bestehende Schicht 14, wobei die piezo resistiven Widerstände 24 zwischen den Tapes 26 der Schicht 14 angeordnet sind. Die piezoresistiven Wi derstände 24 sind integrierter Bestandteil der Meß membran 18.In the embodiment shown in FIG. 2, the force sensor 10 is a layer 14 consisting of two so-called tapes 26 , the piezo-resistive resistors 24 being arranged between the tapes 26 of the layer 14 . The piezoresistive Wi resistors 24 are an integral part of the measuring membrane 18th

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kraftsensor 10 übt folgende Funktion 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 die Kraft F auf die Meßmembran 18 und lenkt diese aus. Infolge der Auslenkung der Meßmembran 18, wobei diese von einer Steifigkeit der Meßmembran 18 abhängt, die über eine Anzahl und eine Stärke der die Schicht 14 ergebenden Tapes 26 beziehungsweise dem Durchmesser der Ausnehmung 16 einstellbar ist, werden die piezoresistiven Widerstände 24 auf Druck und/oder Zug beansprucht. Hierdurch ändern die piezoresistiven Widerstände 24 bekannterweise ihren Widerstandswert, so daß bei angelegter bekannter Spannung mittels der nicht dargestellten Auswerteschaltung ein der Aus lenkung der Meßmembran 18 und damit Kraft F propor tionales Meßsignal ermittelt werden kann.The force sensor 10 shown in FIGS . 1 and 2 performs the following function:
A certain pressure is exerted on the force sensor 10 by a medium (not shown), for example a brake fluid in a brake fluid circuit of a motor vehicle. As a result, the force F acts on the measuring membrane 18 and deflects it. As a result of the deflection of the measuring membrane 18 , which depends on a stiffness of the measuring membrane 18 , which can be adjusted via a number and a thickness of the tapes 26 which form the layer 14 or the diameter of the recess 16 , the piezoresistive resistors 24 become pressurized and / or Train claimed. As a result, the piezoresistive resistors 24 are known to change their resistance value, so that when the known voltage is applied, the evaluation circuit (not shown) can be used to determine the measurement membrane 18 and thus force F proportions measurement signal.

Durch die integrierte Anordnung der piezoresistiven Widerstände 24 innerhalb des Kraftsensors 10, insbe sondere unterhalb oder innerhalb der Meßmembran 18, werden diese nicht dem Medium, beispielsweise der Bremsflüssigkeit, direkt ausgesetzt. Somit kann eine von dem Medium ausgehende aggressive Wirkung keinen unmittelbaren Einfluß auf das Auswertemittel 22, das heißt auf die piezoresistiven Widerstände 24, aus üben. Das keramische Material der unmittelbar dem Medium ausgesetzten Schicht 14 besitzt aufgrund deren innewohnenden Eigenschaften eine ausreichend große Resistenz gegenüber aggressiven Medien, beispiels weise Bremsflüssigkeiten.Due to the integrated arrangement of the piezoresistive resistors 24 within the force sensor 10 , in particular below or within the measuring membrane 18 , they are not directly exposed to the medium, for example the brake fluid. Thus, an aggressive effect emanating from the medium cannot exert a direct influence on the evaluation means 22 , that is to say on the piezoresistive resistors 24 . The ceramic material of the layer 14 which is directly exposed to the medium has, due to its inherent properties, a sufficiently high resistance to aggressive media, for example brake fluids.

Nach weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbei spielen ist es möglich, daß der Kraftsensor 10 ins gesamt eine Vielzahl von Meßmembranen 18 aufweist, so daß mittels eines einzigen Kraftsensors 10 insgesamt eine Kraftmessung, insbesondere eine Druckmessung von unterschiedlichen Druckquellen, gleichzeitig erfolgen kann. Aufgrund des keramischen Mehrlagenaufbaus ist eine Integration der Auswerteschaltungen mit sowohl passiven und/oder aktiven Bauelementen in den Kraft sensor 10 möglich.After further, not shown Ausführungsbei play, it is possible that the force sensor 10 has a total of a plurality of measuring membranes 18 , so that a total force measurement, in particular a pressure measurement from different pressure sources, can be carried out simultaneously using a single force sensor 10 . Due to the ceramic multilayer structure, an integration of the evaluation circuits with both passive and / or active components in the force sensor 10 is possible.

Claims

1. Force sensor, in particular pressure sensor, with little least a detection means for detecting a force acting on the force sensor and an evaluation means for registering a change in state of the detection means, characterized in that the evaluation means ( 22 ) of piezoresistive integrated in the force sensor ( 10 ) Resistors ( 24 ) is formed.

2. Force sensor according to claim 1, characterized in that the piezoresistive resistors ( 24 ) are arranged within half of the detection means ( 20 ).

3. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the detection means ( 20 ) is a measuring membrane ( 18 ) which oscillates freely via a recess ( 16 ).

4. Force sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring membrane ( 18 ) is formed by at least one tape ( 26 ) of a layer ( 14 ).

5. Force sensor according to one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the piezoresistive resistors ( 24 ) between two tapes ( 26 ) of the measuring membrane ( 18 ) are arranged.

6. Force sensor according to claim 1, characterized in that the piezoresistive resistors ( 24 ) are arranged on a side of the detection means ( 20 ) facing away from the force action side.