DE19601080A1

DE19601080A1 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE19601080A1
Application number: DE1996101080
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

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbeson dere Drucksensor, mit den im Oberbegriff des An spruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Druckkraftsensoren der gattungsgemäßen Art sind be kannt. Diese werden beispielsweise in einer soge nannten keramischen Mehrlagentechnik hergestellt, wo bei eine Anzahl von Pasten oder sogenannten grünen Folien auf ein Substrat aufgebracht und mittels eines Brennvorganges (Sintern) mit diesen verbunden werden. Die Schichten werden hierbei so angeordnet, daß we nigstens eine Membran entsteht, die über einer Aus sparung verläuft. Infolge einer äußeren Krafteinwir kung, beispielsweise eines Druckes, erfährt diese Membran eine Auslenkung, die der angreifenden Kraft proportional ist.

Aus der älteren Patentanmeldung P 44 41 487.0 ist be kannt, wie derartige Membranen weitgehend spannungs frei und frei von Rissen herstellbar sind.

Ferner ist es bekannt, in den Kraftsensoren passive und/oder aktive elektronische Bauelemente zu inte grieren, 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.

Bei den bekannten Kraftsensoren ist nachteilig, daß diese im Verlaufe ihres bestimmungsgemäßen Einsatzes einer Alterung unterliegen. Bekannt ist es, die Kraftsensoren in wählbaren Abständen einem Funktions test zu unterziehen, in dem überprüft wird, ob der entsprechende Kraftsensor bei einer äußeren anliegen den Kraft ein Sensorsignal bereitstellt. Eventuelle Abweichungen des Sensorsignals auf Grund von Alte rungserscheinungen können jedoch nicht ermittelt wer den.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß eine Selbstüberprüfung des Kraftsensors auf korrekte Mes sung erfolgen kann. Dadurch, daß der Meßmembran wenigstens zwei Erfassungsmittel zugeordnet sind, die unabhängig voneinander die Auslenkung der Meßmembran erfassen, ist es vorteilhaft möglich, die von den zwei Erfassungsmitteln unabhängig voneinander ermit telten Meßsignale miteinander zu vergleichen und auf Plausibilität zu bewerten. Es findet somit eine ge genseitige Kontrolle des jeweils anderen Erfassungs mittels statt, so daß fehlerhafte Messungen, die bei spielsweise auf eine Beschädigung der Meßmembran oder andere mit dem Kraftsensor in Zusammenhang stehende Ursachen zurückzuführen sind, sofort erkannt werden. Durch diese Plausibilitätsüberprüfung des von dem Kraftsensor gelieferten Meßsignals sind diese erfin dungsgemäßen Kraftsensoren sehr vorteilhaft bei be sonders sicherheitsrelevanten Anwendungen einsetzbar. Insbesondere bei einem Einsatz in Kraftfahrzeugen, zur Ansteuerung eines automatischen Bremssystems, bei dem es auf eine exakte Überprüfung des anstehenden Bremsdruckes ankommt, kann mittels der erfindungsge mäßen Kraftsensoren eine sichere Ermittlung des Bremsdruckes durchgeführt werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorge sehen, daß der Meßmembran ein kapazitives und ein piezoresistives Auswertemittel zugeordnet sind. Hier durch wird es vorteilhaft möglich, die beiden Auswer temittel in einfacher Weise in den Kraftsensor zu in tegrieren, ohne daß diese sich gegenseitig behindern.

Das kapazitive beziehungsweise piezoresistive Auswer temittel kann mittels Verfahrensschritte in den Kraftsensor integriert werden, wobei bekanntermaßen das piezoresistive Auswertemittel auf eine Durch biegung der Meßmembran und das kapazitive Auswerte mittel auf eine Auslenkung der Meßmembran reagiert. Diese können somit vollkommen unabhängig voneinander angeordnet werden und liefern somit unabhängig von einander jeweils ein der von außen angreifenden Kraft entsprechendes Meßsignal.

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

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel an Hand der zugehörigen Zeichnung, die sche matisch eine Schnittdarstellung durch einen Kraftsen sor zeigt, näher erläutert.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Kraftsensor gezeigt. Der Kraftsensor 10 besitzt ein Substrat 12, das ebenfalls aus einer Vielzahl einzel ner Schichten bestehen kann. Das Substrat 12 trägt eine Schicht 14, die aus einer einzelnen Schicht, aber auch aus mehreren Schichten, am gezeigten Bei spiel aus zwei einzelnen Schichten, bestehen kann. Die Schicht 14 bildet eine Meßmembran 16 aus, die über einer Ausnehmung 18 angeordnet ist. Die Ausneh mung 18 wird beispielsweise durch eine Aussparung in einer obersten Schicht des Substrates 12 ausgebildet. Zur Möglichkeit der Herstellung des Kraftsensors 10 wird auf die ältere Patentanmeldung P 44 41 487.0 verwiesen.

In die Meßmembran 16 ist ein erstes Auswertemittel 20 integriert, das von piezoresistiven Widerständen 22 gebildet wird. Ein zweites Auswertemittel 24 wird von zwei Elektroden 26 beziehungsweise 28 gebildet, wobei die eine Elektrode 26 an der Unterseite der Meß membran 16 und die zweite Elektrode 28 am Grund der Ausnehmung 18 angeordnet sind. Sowohl die piezo resistiven Widerstände 22 als auch die Elektroden 26 und 28 sind über nicht dargestellte elektrische Ver bindungsleitungen mit einer ebenfalls nicht darge stellten Auswerteschaltung verbunden.

Der in der Figur gezeigte Kraftsensor 10 übt folgende Funktionen aus:
Bei seinem bestimmungsgemäßen Einsatz wird der Kraft sensor 10 mit einer Kraft F beaufschlagt. Die Kraft F kann beispielsweise von einem Druck, einer Beschleu nigung oder einer anderen physikalischen Größe her vorgerufen werden. Infolge der Einwirkung der Kraft F erfährt die Meßmembran 16 eine Auslenkung, die der Größe der Kraft F proportional ist. Entsprechend der Steifigkeit der Meßmembran 16, die über die Anzahl und die Dicke der die Schicht 14 ergebenden einzelnen Teilschichten eingestellt werden kann, erfolgt bei einer gleichgroßen Kraft F eine mehr oder weniger große Auslenkung der Meßmembran 16. Durch die Aus lenkung der Meßmembran 16 wird einerseits der Abstand zwischen den Elektroden 26 und 28 des Auswertemittels 24 verändert. Hierdurch erfolgt in bekannter Weise eine Veränderung der Kapazität, die über die nicht dargestellte Auswerteschaltung erfaßbar ist. Die Ver änderung der Kapazität ergibt somit ein der angrei fenden Kraft F proportionales Meßsignal.

Durch die Auslenkung der Meßmembran 16 erfolgt gleichzeitig eine Beanspruchung der piezoresistiven Widerstände 22 des Auswertemittels 20 auf Zug und/oder Druck. Hierdurch ändern die piezoresistiven Widerstände 22 bekannterweise ihren Widerstandswert, so daß bei angelegter Spannung mittels der nicht dar gestellten Auswerteschaltung ein zweites, der Aus lenkung der Meßmembran 16 und damit der Kraft F proportionales Meßsignal ermittelt wird.

Durch die zwei Auswertemittel 20 und 24 können somit unabhängig voneinander zwei Meßsignale bereitgestellt werden, die jeweils auf ein gleiches Ereignis, näm lich auf die Meßmembran 16 wirkende Kraft F zurück gehen. Somit ist ein redundantes System geschaffen, wobei die von den Auswertemitteln 20 und 24 geliefer ten Meßsignale in der nicht dargestellten Auswerte schaltung auf ihre Plausibilität überprüft werden können. Je nach Grundauslegung des Kraftsensors 10 kann das von dem Auswertemittel 20 gelieferte Meß signal mittels des von dem Auswertemittel 24 gelie ferten Meßsignals oder umgekehrt überprüft werden.

Somit wird es mit geringem Aufwand möglich, einer seits einen Selbsttest des Kraftsensors 10 durchzu führen und andererseits bei einer auftretenden Ab weichung des Meßsignals zu überprüfen, ob das Meß signal auf einen Fehler des Kraftsensors 10, insbe sondere einen Fehler der Meßmembran 16 zurückzuführen ist, oder ob andere Ursachen hierfür verantwortlich sind. Mittels eines derartigen Kraftsensors 10 kann eine sehr sichere Erfassung der Kraft F erfolgen, da eventuelle Fehlmessungen durch die Plausibilitäts prüfung der von dem Kraftsensor 10 bereitgestellten Meßsignale sofort einen Fehler des Kraftsensors 10 oder einer tatsächlich entsprechenden Änderung der Kraft F zugeordnet werden kann.

In dem gezeigten Beispiel wird von einem kapazitiven und einem piezoresistiven Auswertemittel ausgegangen. Nach weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbei spielen, können die zwei unabhängig voneinander ar beitenden Auswertemittel von zwei kapazitiven Auswer temitteln oder zwei piezoresistiven Auswertemitteln gebildet sein. Selbstverständlich sind auch andere Auswertemittel denkbar, die eine entsprechende Detek tion der Kraft F beziehungsweise der Auslenkung der Meßmembran 16 ermöglichen.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es mög lich, daß ein Kraftsensor 10 zur Ermittlung unter schiedlicher Kräfte F mehrere Meßmembranen 16 auf weist. Für diesen Fall ist vorgesehen, daß jedem der Meßmembrane 16 zwei unabhängig voneinander arbeitende Auswertemittel 20 beziehungsweise 24 zugeordnet sind.

Claims

1. Kraftsensor, insbesondere Drucksensor mit wenig stens einer Meßmembran, die infolge einer sich än dernden, zu detektierenden Kraft eine Auslenkung er fährt und Auswertemitteln zum Registrieren der Aus lenkung, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßmembran (16) wenigstens zwei Auswertemittel (20, 24) zugeord net sind, die unabhängig voneinander die Auslenkung der Meßmembran (16) erfassen.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Meßmembran (16) ein kapazitives und ein piezoresistives Auswertemittel (20, 24) zugeordnet sind.

3. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der von den Auswertemitteln (20, 24) gelieferten Meßsignale eine Plausibilitätsüberprüfung des Kraftsensors (10) durchgeführt wird.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (10) mehrere Meßmembranen (16) aufweist, wobei jeder Meß membran (16) wenigstens zwei unabhängig voneinander arbeitende Auswertemittel (20, 24) zugeordnet sind.