DE19747001C2 - Dehnungsmeßstreifen sowie ein mit diesen Dehnungsmeßstreifen hergestellter mechanisch-elektrischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmeßstreifen, mit einer Widerstands­ schicht, welcher auf einem Trägerelement angeordnet ist, wobei zwischen Wi­ derstandsschicht und Trägerelement eine Isolationsschicht angeordnet ist so­ wie einen mechanisch-elektrischen Wandler mit einem solchen Dehnungsmeß­ streifen.

Gemäß der DE 34 31 114 A1 sind derartige, als Dehnungsmeßstreifen ver­ wendbare Widerstände bekannt. Ein solcher Widerstand weist eine metallische Widerstandsschicht auf, die auf einem Träger angeordnet ist, wobei dieser Wi­ derstandsschicht ebenfalls auf dem Träger angeordnete Kontaktflächen zuge­ ordnet sind.

Um vom Träger ausgehende Beeinträchtigungen zu vermeiden, z. B. wenn die­ ser leitend ist, wird zwischen dem Träger und der metallischen Widerstands­ schicht eine Isolationsschicht angeordnet.

Ein so vorgefertigter Widerstand wird üblicherweise auf ein Bauteil aufgesetzt, dessen mechanische Belastung gemessen werden soll. Das Anbringen des Widerstandes am mechanisch zu belastenden Bauteil erfolgt dabei dadurch, daß der Träger des Widerstandes auf das mechanisch zu belastende Bauteil aufgeklebt wird.

Diese Klebeverfahren haben den Nachteil, daß sie nur bedingt prozeßsicher und nicht langzeitstabil sind, da sich bei der mechanischen und thermischen Beanspruchung die Klebeverbindung verändert. Dies kann soweit gehen, daß sich der Widerstand vollständig vom mechanisch zu belastenden Bauteil löst.

Solche Klebeverbindungen weisen somit eine nur eingeschränkte Lebensdauer auf.

Aus der Zeitschrift: Technisches Messen, 56 (1998), Heft 6, Oldenburg Verlag, "Dickschicht-Drucksensoren mit freitragenden Strukturen" von D. Bergfried und W. Kuhnt, Seiten 250 bis 254 ist es bekannt, in Dickschichttechnik hergestellte Dehnungsmeßstreifen auf einer, aus einem Dielektrikum gebildeten, freitragen­ den Membran anzuordnen, die mit kohleartigem Füllstoff hergestellt ist und durch den zu messenden Druck mechanisch belastet wird. Solche freitragen­ den Strukturen sind aber für die Verwendung in Drehmomentsensoren unge­ eignet.

Aus der EP 239 386 A2 und EP 426 442 A2 ist eine Wägezelle offenbart, bei welcher Dünnschichtwiderstände über eine Isolationsschicht auf einem mecha­ nisch zu beanspruchenden Substrat angeordnet sind. Dickschichtwiderstände werden aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer in solchen Wägezellen nicht einge­ setzt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Widerstand anzugeben, welcher auch bei lang anhaltender mechanischer und thermischer Belastung zuverlässig mit dem mechanisch zu belastenden Bauteil verbindbar und prozeßsicher in einer Serienproduktion herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das, die Dickschicht­ widerstandsschicht tragende Trägerelement ein mechanisch auf Torsion zu belastendes, aus Stahl bestehendes Bauteil ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Isolationsschicht unmittelbar unter Wegfall eines Zwischenträgers auf dem mechanisch zu belastenden Bauteil angeordnet sind. Die zu detektierende mechanische Belastung wird da­ bei direkt von dem zu belastenden Bauteil abgegriffen, ohne das Signalverfäl­ schungen durch den Zwischenträger auftreten. Die Herstellung des Widerstan­ des unmittelbar auf dem zu belastenden Bauteil reduziert die Herstellungsko­ sten erheblich.

Vorteilhafterweise sind die Isolationsschicht und das mechanisch zu belastende Bauteil über eine nicht klebende Verbindung miteinander verbunden.

Eine zuverlässige unlösbare Verbindung wird erreicht, wenn das mechanisch zu belastende Bauteil und die Isolationsschicht über eine innige Verbindung verbunden, z. B. versintert sind. Dies wird erzielt, indem die Isolationsschicht, welche pastenähnlich ausgebildet ist, während eines Hochtemperaturprozesses mit dem mechanisch zu belastenden Bauteil versintert.

Alternativ dazu wird die Isolationsschicht während eines Hochtemperaturpro­ zesses mit dem mechanisch zu belastenden Bauteil versintert, wenn die Isola­ tionsschicht folienartig ausgebildet ist.

Dabei geht die Isolationsschicht eine innige Verbindung mit dem zu belasten­ den Bauteil ein. Diese Verbindung ist prozeßsicher zu realisieren und ausge­ sprochen langzeitstabil.

Insbesondere die Herstellung des Widerstandes auf einer folienähnlichen Iso­ lierschicht ermöglicht das Anbringen des Dehnungsmeßstreifens auf einem Bauteil mit nichtplaner Oberfläche.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist ein mechanisch-elektrischer Wandler eine Einrichtung mit dehnungsempfindlichen Widerständen auf, die auf einem Trägerelement angeordnet sind, wobei die Widerstände und das Träger­ element durch eine Isolationsschicht getrennt sind und die Widerstände Kon­ taktflächen aufweisen, an welchen ein der Dehnung entsprechendes Signal abnehmbar ist. Dabei ist das, die Dickschichtwiderstände tragende Trägerele­ ment ein mechanisch auf Torsion zu belastendes Bauteil, auf welchem direkt eine Auswerteelektronikschaltung für das der Dehnung entsprechende, von den Dickschichtwiderständen abgegebene elektrische Signal angeordnet ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sowohl das Sensorelement als auch die Sensorelektronik direkt auf dem mechanisch zu belastenden Bauteil aufge­ bracht werden.

In einer Ausgestaltung sind die Meßwiderstände und die Struktur der Auswer­ teelektronik wie z. B. Leiterbahn, Kontaktstellen, Dickschichtwiderstände auf einer gemeinsamen folienartigen Isolationsschicht angeordnet, die dann ge­ meinsam auf das mechanisch zu belastende Bauteil aufgesintert werden.

Diese Herstellung von Sensorelement und Sensorelektronik ermöglicht die Anord­ nung auch auf Bauteilen, die keine plane Oberfläche aufweisen, z. B. auf runden Bauteilen.

Bei mechanisch zu belastenden Bauteilen, die keine konstante Dehnung über die gesamte Oberfläche aufweisen, sind die Widerstände als Widerstandsmeßbrücke ausgebildet, wobei alle Widerstände in mindestens einem Bereich der größten mechanischen Beanspruchung des mechanisch zu belastenden Bauteiles ange­ ordnet sind. Dies gilt insbesondere für mechanisch auf Torsion zu belastende Bauteile, die einen unrunden Querschnitt aufweisen.

In einer Weiterbildung sind die Widerstände im Bereich der größten mechani­ schen Beanspruchung reihenähnlich, vorzugsweise w-ähnlich angeordnet. Dies ermöglicht die Anwendung des erfindungsgemäßen mechanisch-elektrischen Wandlers auch bei zu belastenden Bauteilen, die einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Sensors auf einem solchen Bauteil voll genutzt.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 Erfindungsgemäßer Widerstand

Fig. 2 Draufsicht auf mechanisch-elektrischen Wandler.

Fig. 3a erste Ausführung des Drehmomentsensor-Hybrid

Fig. 3b zweite Ausführung des Drehmomentsensor-Hybrid

Fig. 4 Schnittdarstellung des Drehmomentsensor-Hybrids

In Fig. 1 ist schematisch der erfindungsgemäße Dehnungsmeßstreifen darge­ stellt.

Auf einem Träger 1, welcher aus Stahl besteht, ist ein Dielektrikum 2 aufgebracht. Auf dem Dielektrikum 2 ist eine Leiterbahn 3 mit Kontaktflächen 5 zur elektrischen Verbindung des Widerstandes mit anderen Schaltungsteilen angeordnet. Über der Leiterbahn 3 ist wiederum ein elektrischer Widerstand 4 angeordnet. Den Ab­ schluß bildet eine Passivierungsschicht 12, die nur die Kontaktflächen 5 unbe­ deckt läßt. Der Träger 1 ist dabei eine Welle, an welcher die Flächendehnung auf­ grund einer mechanischen Belastung dieser direkt durch den Dehnungsmeßstrei­ fen abgegriffen wird. Der beschriebene Dehnungsmeßstreifen wird in Dickschicht­ technologie unmittelbar auf dem Träger 1 und somit auf dem mechanisch zu be­ lastenden Bauteil erstellt.

Um eine innige Verbindung des Dielektrikums 2 mit dem Träger 1 herzustellen, wird in einer ersten Ausführung das Dielektrikum 2 in Drucktechnik mittels einer nichtleitenden Paste auf den Träger 1 aufgetragen. Die Paste enthält dabei eine Glasfritte, die bei geringerer Temperatur sinterbar ist als das Material des Trägers 1. Nach Aufbringen der Paste wird ebenfalls in Siebdrucktechnik eine leitende Schicht aufgebracht, die die Leiterbahn 3 und die Kontaktfllächen 5 darstellt, auf welcher wiederum das Widerstandselement 4 angeordnet ist.

Die so vorbereitete Welle 1 wird in einem Hochtemperaturprozeß bei etwa einer Temperatur von 750° bis 900°C wärmebehandelt. Dabei versintert die Glasschicht mit der Oberfläche des Stahls 1. Bei diesem Aufsintern werden zwischen dem Dielektrikum 2 und der Welle 1 Oxidbrücken gebildet, die eine unlösbare Verbin­ dung zwischen Welle 1 und Dielektrikum 2 gewährleisten.

Diese starre innige Verbindung bedingt gegenüber der Klebetechnik eine geringe­ re Dehnungshysterese.

Alternativ zu der pastenähnlichen Isolierschicht 2 kann diese auch als flexible Fo­ lienschicht aufgebracht werden. Dabei werden in einem ersten Schritt auf dem folienartigen Dielektrikum 2 in schon bekannter Art und Weise die Leiterbahn 3 und der Widerstand 4 sowie die Kontaktflächen 5 aufgebracht. Das folienähnliche Dielektrikum 2 wird danach auf die Welle 1 aufgelegt, wobei sich das folienähnli­ che Dielektrikum 2 der runden Oberflächen der Welle 1 anpaßt.

Das folienähnliche Dielektrikum 2 besteht aus einem Kunstharz mit einer Glasfrit­ te, auf welcher durch Siebdrucktechnik das Muster des Meßwiderstandes 4 auf­ gebracht wird. In Siebdrucktechnik werden nacheinander die Leiterbahn 3 mit den Kontaktflächen 5, der Meßwiderstand 4 und anschließend die Passivierungs­ schicht 12 aufgebracht. Widerstand 4 und Leiterbahn 3 sind Leitpasten, die lei­ tende Teilchen und Glasfritte enthält. Während eines Hochtemperaturprozesses von ungefähr 850°C erfolgt ein Aufsintern sämtlicher Schichten auf der Welle 1 sowie ein rückstandsloses Vergasen des im Dielektrikum 2 enthaltenen Kunststof­ fes. Auch hier wird durch das Entstehen von Oxidbrücken zwischen Welle 1 und Dielektrikum 2 eine haltbare Verbindung zwischen beiden erzeugt. Nach dem Sintern verbleiben die Strukturen in Form von Isolier- und Leitschichten auf der Welle 1.

Fig. 2 zeigt einen Dickschichtdrehmomentsensor mit den eben erläuterten Deh­ nungsmeßstreifen, wie er in Hilfskrafteinrichtungen von Kraftfahrzeugen, insbe­ sondere bei elektrischen Lenkhilfesystemen oder elektrohydraulischen Lenkhilfe­ systemen Einsatz findet.

Das zu belastende Bauteil 1 ist in diesem Fall quaderförmig gestaltet. Auf dem Bauteil 1 ist in der oben beschriebenen Art und Weise ein Dielektrikum 2 ange­ ordnet, auf welchem eine Widerstandsmeßbrücke 7 mit als Dehnungsmeßstreifen wirkenden Meßwiderständen 4 aufgebracht sind. Die Widerstandsmeßbrücke 7 besteht in bekannter Art und Weise aus vier Widerständen 4, die über Leiterbah­ nen 3 mit elektrischen Kontaktflächen 8 der Widerstandsmeßbrücke 7 verbunden sind. Um ein redundantes Signal zu erlangen, kann eine zweite gleich geartete Widerstandsmeßbrücke auf die Welle 1 aufgebracht werden.

Das Dielektrikum 2 ist dabei mittig auf der rechteckförmigen Oberfläche der Welle 1 angeordnet, in dem Bereich, wo bei einer mechanischen Beanspruchung der Welle 1 die Oberflächendehnung am deutlichsten detektierbar ist. Die Widerstän­ de 4 jeder Widerstands-DMS-Meßbrücke 7 sind dabei w-ähnlich jeweils in einer Reihe hintereinander entlang der Richtung angeordnet, in welcher sich die Zone der maximalen Beanspruchung der Welle 1 erstreckt. Die Dehnung des mecha­ nisch belasteten Bauelements wird von der DMS-Meßbrücke 7 direkt erfaßt.

Das so in Dickschichttechnologie erstellte Sensorelement ermöglicht es, daß die Elektronik zur Auswertung des Sensorelementes sowie zur Übertragung des Si­ gnales ebenfalls unmittelbar auf der Isolierschicht 2 auf der Welle 1 realisiert wer­ den kann. Ein solches Drehmomentsensor - Hybrid ist in Fig. 3a und 3b in Draufsicht schematisch dargestellt.

Wie aus Fig. 3a erkennbar ist, ist die in Dickschichttechnik aufgebrachte Wider­ standsmeßbrücke 7 über eine ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellte Leiter­ bahn 10 mit der Auswerteelektronik 9 verbunden. Die Auswerteelektronik 9 be­ steht aus diskreten Bauelementen, die an den in Fig. 2 dargestellten Kontaktflä­ chen 8 mit der Widerstandsmeßbrücke 7 verbunden sind. Diese Auswerteelektro­ nik 9 kann separat angeordnet sein oder aber wie im vorliegenden Fall direkt auf der Welle 1 angeordnet sein, wo sie an den Kontaktflächen 8 verlötet ist.

Zur berührungslosen Signalübertragung des Sensorsignals ist eine Spule 11 um die Welle 1 gewickelt, die ebenfalls über in Dickschichttechnik gefertigte Leitbah­ nen und Kontaktflächen mit der Auswerteelektronik 9 verbunden ist. Wie in Fig. 3b dargestellt, besteht auch die Möglichkeit die Spule 11 in Dickschichttechnik aufzudrucken, wodurch externe Lötverbindungen eingespart werden. Die Kontak­ tierung der Auswerteelektronik 9 erfolgt dabei vorteilhafterweise an den Kontakt­ flächen 8 durch Oberflächenmontage (SMD-Technik). Dadurch entsteht ein Hy­ brid, der das Sensorelement und die Elektronik umfaßt und direkt auf der Welle 1 erstellt werden kann. Ein solcher Sensor kann mit Kunststoff, z. B. Silikon vergos­ sen werden.

Durch einen solchen, die Oberflächendehnung auf der Welle 1 messenden Sen­ sor wird beim Einsatz in Lenkhilfesystemen ein direkter Durchtrieb vom Rad zum Fahrer ohne zusätzliche Elastizität in der Lenkwelle gewährleistet.

Neben den bereits erläuterten Anwendungsfall als Drehmomentsensor für Kfz- Lenksysteme, die ein Drehmomentsignal benötigen, findet der vorgeschlagene Sensor auch Anwendung zur Messung des Drehmomentes im Antriebstrang von Kraftfahrzeugantrieben, beispielsweise für Motorsteuerung, Getriebesteuerung und Antischlupfregelung. Auch ist ein Einsatz zur Messung von Biegemomenten in Bauteilen, wie beispielsweise bei zug-druckbeanspruchten Bauteilen, wie Zug­ kraftmessungen an Anhängerkupplungen, Achslastmessungen oder Pedal- Sollwertgebern in Kraftfahrzeugen oder in Waagen mit Biegebalken denkbar.

In Fig. 4 ist das erfindungsgemäße Drehmomentsensor-Hybrid im Schnitt dar­ gestellt. Auf den von der Passivierungsschicht 12 unbedeckten Kontaktflächen 5 werden diskrete Bauteile der Auswerteschaltung 9 aufgelötet.

Nach der Umspritzung mit Kunststoff steht ein Dickschicht-DMS-Sensor mit in­ tegrierter Elektronik zur Verfügung.

Claims (11)

1. Dehnungsmeßstreifen mit einer Widerstandsschicht, welche auf einem Trägerelement angeordnet ist, wobei zwischen Widerstandsschicht und dem Trägerelement eine Isolationsschicht angeordnet ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das, die Dickschichtwiderstandsschicht tragende Trä­ gerelement ein mechanisch auf Torsion zu belastendes, aus Stahl beste­ hendes Bauteil (1) ist.

2. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) und das mechanisch zu belastende Bauteil (1) über eine nicht klebende Verbindung miteinander verbunden sind.

3. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanisch zu belastende Bauteil (1) und die Isolationsschicht (2) während eines Hochtemperaturprozesses eine innige Verbindung mitein­ ander eingehen.

4. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) pastenartig ausgebildet ist und während eines Hochtemperaturprozesses mit dem mechanisch zu belastenden Bauteil (1) versintert.

5. Elektrischer Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) folienartig ausgebildet ist, und während eines Hochtemperaturprozesses mit dem mechanisch zu belastenden Bauteil (1) versintert.

6. Mechanisch-elektrischer Wandler mit einer Einrichtung mit dehnungsemp­ findlichen Widerständen, die auf einem Trägerelement angeordnet sind, wobei die Widerstände und das Trägerelement durch eine Isolations­ schicht getrennt sind, und wobei an den Widerständen ein der Dehnung entsprechendes elektrisches Signal abnehmbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das, die Dickschichtwiderstände (4) tragende Trägerele­ ment ein mechanisch auf Torsion zu belastendes Bauteil (1) ist, auf wel­ ches direkt eine Auswerteelektronik (7, 9) für das der Dehnung entspre­ chende, von den dehnungsempfindlichen Dickschichtwiderständen (4) er­ zeugte elektrische Signal angeordnet ist.

7. Mechanischer-elektrischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Widerstände (4) und die Struktur der Auswerteelektronik (7, 9) auf einer gemeinsamen, folienartigen Isolationsschicht (2) angeordnet sind.

8. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Isolationsschicht (2) während eines Hochtemperaturprozesses mit dem mechanisch zu belastenden Bauteil (1) versintert.

9. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Widerstände (4) in mindestens einem Bereich der größten mechanischen Beanspruchung des mechanisch zu belastenden Bauteiles (1) angeordnet sind.

10. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Widerstände (4) im Bereich der größten mechanischen Bean­ spruchung reihenähnlich angeordnet sind.

11. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Signalübertragung eine Spule (11) auf der Isolati­ onsschicht (2) angeordnet ist.