DE19814261A1

DE19814261A1 - Dehnungsempfindlicher Widerstand

Info

Publication number: DE19814261A1
Application number: DE19814261A
Authority: DE
Inventors: Arthur Schaefert; Juergen Irion; Zlatho Penzar; Wolfgang Porth
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-14
Also published as: WO1999050632A1; KR100621269B1; US20030062982A1; US6842970B2; EP1068501A1; EP1068501B1; US7065861B2; US6512445B1; US20050083169A1; KR20010042311A; DE59906359D1; JP2002510041A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen dehnungsempfindlichen Widerstand, bestehend aus einer auf einem Trägerelement angeordneten Widerstandsschicht sowie einen mit diesem Widerstand hergestellten mechanisch-elektrischen Wandler. DOLLAR A Eine Erhöhung des am Widerstand abgegriffenen elektrischen Meßsignals wird auf einfache Art und Weise realisiert, indem das Trägerelement (1) auf seiner Oberfläche (9) eine Ausnehmung (7) aufweist, welche bei mechanischer Beanspruchung des Trägerelementes (1) in mindestens einem Bereich der Oberfläche (9) des Trägerelementes (1), in welchem die Widerstandsschicht (4) positioniert ist, ein betragsmäßig ungleiches Verhältnis der beiden Hauptdehnungsrichtungen (L, T) der Widerstandsschicht (4) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen dehnungsempfindlichen Widerstand bestehend aus einer auf einem Trägerelement angeordneten Widerstandsschicht sowie ein mit diesem Widerstand hergestellten mechanisch-elektrischen Wandler.

Aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 197 47 001.7 ist ein dehnungsempfindlicher Widerstand bekannt, bei welchem der Widerstand auf einem als Trägerelement ausgebildeten Welle angeordnet ist. Die Welle ist dabei einer mechanischen Belastung ausgesetzt, wobei die daraus resultieren de Flächendehnung durch den ohne Zwischenträger auf dieser Welle angeord neten dehnungsempfindlichen Widerstand abgegriffen wird. Die Widerstands schicht ist dabei in Drucktechnik in Form einer Widerstandspaste auf der Welle aufgebracht und nach einer Wärmebehandlung mit dieser innig verbunden.

Bei einer Torsion der Welle bilden sich an der Oberfläche der Welle zwei Hauptdehnungen unter 45° aus. Diese werden zur Bestimmung des Drehmo mentes ausgewertet. Die Hauptdehnungen haben dabei den gleichen Betrag, aber umgekehrtes Vorzeichen.

Die verwendeten Dickschicht-Widerstandspasten haben dabei sowohl für die longitudinale als auch die transversale Dehnung positive Dehnungsfaktoren (K- Faktoren), weshalb für die Bestimmung der effektiven Widerstandsänderung nur die Differenz aus diesen beiden Faktoren genutzt werden kann. Die an dem Drehmomentsensor abgefaßten Signalspannungen sind daher sehr gering und müssen durch eine umfangreiche elektrische Anordnung verstärkt werden, wo durch der Einfluß von Störgrößen auf das kleine Meßsignal erhöht wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen dehnungsempfindlichen Widerstand anzugeben, bei welchem eine Erhöhung des am Widerstand abge griffenen Meßsignals auf einfache Art und Weise realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Trägerelement auf seiner Oberfläche eine Ausnehmung aufweist, welche bei mechanischer Bean spruchung des Trägerelementes in mindestens einem Bereich der Oberfläche des Trägerelementes, in welchem die Widerstandsschicht positioniert ist, ein betragsmäßig ungleiches Verhältnis der beiden Hauptdehnungen der Wider standsschicht erzeugt.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Signalverhalten des Sensors ohne komplexe Änderung der Wellengeometrie einfach erhöht wird. Ein solcher Sensor ist für die Massenproduktion geeignet, da er kosten- und zeitgünstig herstellbar ist.

Aufgrund der Ausnehmung überlagern sich die mechanischen, am Trägerele ment angreifenden Spannungen wie z. B. Torsion und Biegung, wobei die Dehnungen in den Hauptrichtungen (longitudinal, transversal) einen ungleichen Betrag aufweisen.

Diese Ausnehmung kann durch einfach an dem Trägerelement zu realisierende Veränderungen wie z. B. Bohrungen, Kerben und Schlitzen hergestellt werden, so daß die beiden Hauptdehnungsrichtungen an der Oberfläche des Träger elementes aufgrund von Torsionen nicht mehr die gleichen Beträge aufweisen.

Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung als durchgängige Öffnung des Träger elementes ausgebildet.

In einer Weiterbildung ist die Öffnung als Langloch ausgebildet, wobei die Wi derstandsschicht in der Nähe des radialen Bereiches des Langloches angeord net ist.

Besonders einfach ist der dehnungsempfindliche Widerstand herstellbar, wenn die Widerstandsschicht auf einer plan ausgebildeten Oberfläche des Träger elementes angeordnet ist.

Wenn das Trägerelement der Widerstandsschicht gleichzeitig das mechanisch durch Torsion zu beanspruchende Bauteil darstellt, kann auf einen Zwischen träger zwischen dehnungsempfindlichen Widerstand und zu belastendem Bauteil verzichtet werden. Die zu detektierende mechanische Belastung wird dabei direkt von dem zu belastenden Bauteil abgegriffen, ohne daß durch den Zwischenträger erzeugte Signalverfälschungen auftreten. Ein solcher Wider stand reduziert die Herstellungskosten erheblich.

Eine zuverlässige unlösbare Verbindung wird erreicht, wenn das mechanisch zu belastende Bauteil und die Widerstandsschicht über eine innige Verbindung miteinander verbunden z. B. versintert sind. Dies wird erzielt, indem die pasten artig ausgebildete, in Drucktechnik auf das Trägerelement aufgebrachte Wider standsschicht während eines Hochtemperaturprozesses mit dem mechani schen Bauteil versintert wird.

In einer Weiterbildung ist das Trägerelement elektrisch leitend ausgebildet, wo bei zwischen der Widerstandsschicht und dem Trägerelement eine Isolations schicht angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung ist besonders dann sinnvoll, wenn das mechanisch zu belastende Bauteil aus Metall besteht, wie es bei spielsweise beim Einsatz als Drehmomentsensor in Lenkhilfesystemen der Fall ist. Somit können Kurzschlüsse am Sensor zuverlässig verhindert werden.

In einer Ausgestaltung ist die Isolationsschicht pastenartig ausgebildet und wird in einem selbständigen Hochtemperaturprozeß vor Aufbringen der Wider standsschicht oder während eines Hochtemperaturprozesses gemeinsam mit der Widerstandsschicht auf das Trägerelement aufgebracht.

Alternativ dazu wird die Isolationsschicht, wie beschrieben, entweder selbstän dig oder gemeinsam mit der Widerstandsschicht mit dem Trägerelement ver sintert, wenn die Isolationsschicht 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 dehnungsempfindlichen Widerstandes mit einer folienähnlichen Isolationsschicht ermöglicht das Aufbringen des Deh nungsmeßstreifens auf einem Bauteil mit nicht planer Oberfläche.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des dehnungsempfindlichen Widerstan des, bei welchem auf dem Trägerelement nacheinander die Isolationsschicht und die Widerstandsschicht aufgebracht werden, ist die folienartig ausgebilde te, die Widerstandsschicht tragende Isolationsschicht in mindestens einem Be reich annähernd der Form der Ausnehmung an der Oberfläche des Trägerele mentes angepaßt, wobei dieser Bereich deckungsgleich mit dieser Form der Ausnehmung auf die Oberfläche des Trägerelementes aufgebracht wird und anschließend wärmebeaufschlagt wird.

Dies hat den Vorteil, daß die Isolationsschicht gleichzeitig als Justierhilfe beim anschließenden Aufbringen der Widerstandsstruktur auf das Trägerelement genutzt wird und somit sichergestellt wird, daß die Widerstandsschicht in dem Bereich des Trägerelementes angeordnet ist, wo die größte Differenz zwischen longitudinaler und transversaler Dehnung auftritt.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung sind die Isolationsschicht und/oder die Widerstandsschicht auf einem Trägerblatt angeordnet, wonach die die Isolations- und/oder Widerstandsschicht tragende Seite des Trägerblattes mit einer flexiblen Folienschicht überdeckt wird, deren Haftung an der Isola tions- und/oder Widerstandsschicht größer ist als die Haftung des Trägerblattes an der Isolations- und/oder Widerstandsschicht, wobei mindestens die Folien schicht in einem Bereich der Form der Ausnehmung an der Oberfläche des Trägerelementes angepaßt ist, und die Folienschicht mit der Isolations- und/oder Widerstandsschicht derart auf das Trägerelement aufgebracht wird, daß die übereinstimmend geformten Bereiche von Ausnehmung und Folien schicht deckungsgleich ausgerichtet sind, wobei das Trägerelement zum Aus brennen der Folienschicht und Aufsintern der Isolation und/oder Widerstands schicht anschließend wärmebeaufschlagt wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die vorhandene Struktur auf einem Trägermaterial in Form des Trägerblattes hergestellt wird und nach der Her stellung mit Hilfe der Transportfolie in der Art eines Abziehbildes auf dem Trä gerelement plaziert wird. Auch in diesem Fall wird durch die Form der Trans portfolie die Justage dieser Anordnung auf dem Trägerelement erleichtert. Auf grund dieser Verfahrensweise läßt sich die gewünschte Schichtstruktur auf jede erdenkliche geometrische Form des Trägerelementes aufziehen und bei der sich anschließenden Wärmebehandlung zu einer haftfesten Schicht sintern.

Bei dieser Ausführung sind sowohl die Isolationsschicht als auch die Wider standsschicht auf einem einzigen Trägerblatt angeordnet, und werden mit nur einer Folienschicht transportiert.

Auf diese Weise wird ein Widerstand hergestellt, der auch bei lang anhaltender mechanischen und thermischen Belastung zuverlässig auf nicht planen Ober flächen von Trägerelementen haftet. Dieses ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Trägerelement ein mechanisch zu belastendes Bauteil ist, auf wel ches durch Sinterung Schichten aufgebracht werden.

Vorteilhafterweise ist die Isolations- und/oder die Widerstandsschicht in Druck technik auf das Trägerblatt aufgebracht und getrocknet. Somit ist es nicht nur möglich einfache unstrukturierte Schichten, sondern auch strukturierte Gebilde wie ganze Widerstands-Netzwerke auf einer nicht planen Oberfläche eines Trägerelementes aufzubringen.

Mit Hilfe eines solchen Herstellungsverfahrens lassen sich Abrollstrukturen her stellen, die von einem Rechner bestimmte Abmessungen aufweisen, die erst bei Aufbringung auf die nicht plane Oberfläche ihre erforderliche geometrische Struktur und Abmaße erhalten.

In einer Ausgestaltung wird die Isolationsschicht in Form einer Glasfritte auf das Trägerblatt aufgedruckt. Nach dem Trocknen der Glasfritte wird eine Leitpaste als Widerstandsschicht auf die Isolationsschicht aufgedruckt und getrocknet, wobei anschließend die Folienschicht in Form eines Kunstharzfilmes aufge bracht wird.

Alternativ dazu wird eine auf einem ersten Trägerblatt angeordnete und ge trocknete Isolationsschicht auf das Trägerelement mittels der Folienschicht auf gebracht und wärmebeaufschlagt, und anschließend die auf einem zweiten Trägerblatt gedruckte und getrocknete Widerstandsschicht mit Hilfe einer auf ihr angeordneten zweiten Folienschicht auf der schon wärmebehandelten Iso lationsschicht positioniert und anschließend ebenfalls wärmebehandelt.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß je nach Anwendungsfall sowohl die ge samte Struktur auf einem Trägerblatt herstellbar ist und mittels einer einzigen Folienschicht vom Trägerblatt auf das Trägerelement transportiert werden kann oder aber auch jede Schicht der Struktur einzeln auf einem Trägerblatt herge stellt wird. Die einzeln hergestellte Schicht wird ebenfalls mittels einer Folie auf dem Trägerelement positioniert.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist ein mechanisch-elektrischer Wandler eine Einrichtung mit dehnungsempfindlichen Widerständen auf, wel che aus einer auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordneten Wider standsschicht besteht, wobei die Widerstandsschicht und das Trägerelement durch eine Isolationsschicht getrennt sind und an den Widerständen ein der Dehnung entsprechendes elektrisches Signal abnehmbar ist. Dabei ist auf dem Trägerelement eine Auswerteelektronik für das der Dehnung entsprechende elektrische Signal angeordnet, wobei das Trägerelement außerdem auf seiner Oberfläche eine Ausnehmung aufweist, welche bei mechanischer Beanspru chung des Trägerelementes in mindestens einem Bereich der Oberfläche des Trägerelementes, in welchem mindestens ein dehnungsempfindlicher Wider stand positioniert ist, ein betragsmäßig ungleiches Verhältnis von longitudinaler und transversaler Dehnung erzeugt.

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 Dehnungsmeßwiderstände und die Struktur der Auswerteelektronik wie z. B. Leiterbahn, Kontaktstellen, Dickschichtwiderstände auf einer gemeinsamen folienartigen Isolationsschicht angeordnet, die dann gemeinsam auf das mechanisch zu belastende Bauteil aufgesintert werden.

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

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformeln zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführung eines Drehmomentsensors

Fig. 2 erfindungsgemäßer Dehnungsmeßstreifen im Schnitt

Fig. 3a Draufsicht auf ein erstes erfindungsgemäß gestaltetes Trägerele ment

Fig. 3b Querschnitt des Trägerelementes

Fig. 4 Draufsicht auf ein zweites erfindungsgemäß gestaltetes Träger element

Fig. 5 Querschnitt eines auf einem Trägerblatt angeordneten dehnungsempfindlichen Meßwiderstandes

Fig. 6 eine Ausführung des Drehmomentsensorhybrids

Fig. 7 Schnittdarstellung des Drehmomentsensorhybrids

Gleiche Merkmale sind mit gleichem Bezugszeichen gekennzeichnet.

In Fig. 1 ist schematisch der erfindungsgemäße DMS-Drehmomentsensor dargestellt, welcher eine Widerstandsmeßbrücke aufweist, die aus vier iden tisch aufgebauten dehnungsempfindlichen Widerständen 4 besteht, welche über Leiterbahnen 3 elektrisch miteinander verknüpft sind. Diese Widerstands brücke ist in ihrer gesamten Ausdehnung auf einem Dielektrikum 2 angeordnet, welches wiederum direkt auf dem Träger 1 aufliegt.

Ein Schnitt durch einen dehnungsempfindlichen Widerstand 4 ist in Fig. 2 dargestellt. Auf einem Träger 1, welcher quaderförmig ausgebildet ist und aus Stahl besteht, ist ein Dielektrikum 2 aufgebracht. Auf dem Dielektrikum 2 ist eine Leiterbahn 3 mit Kontaktflächen 5 zur elektrischen Verbindung des Wider standes mit anderen Schaltungsteilen angeordnet. Auf der Leiterbahn 3 ist wie derum ein elektrischer Widerstand 4 angeordnet. Den Abschluß bildet eine Passivierungsschicht 6, die nur die Kontaktflächen 5 unbedeckt läßt. Der Trä ger 1 ist dabei eine Welle, an welcher die Flächendehnung aufgrund einer me chanischen Belastung dieser direkt durch den Dehnungsmeßstreifen 4 abge griffen wird. Der beschriebene Dehnungsmeßstreifen wird in Dickschichttech nologie unmittelbar auf den Träger 1 hergestellt, welcher im vorliegenden Fall mit dem durch Torsion beanspruchten Bauteil z. B. einer Welle identisch ist.

Fig. 3a zeigt eine Draufsicht auf die rechteckförmige Oberfläche 9 der Welle 1. Die Welle 1 weist entlang ihrer Längserstreckung mittig ein Langloch 7 auf, welches die Welle 1 vollständig durchsetzt. Das Langloch 7 weist an seinen Enden radiale Bereiche 8 auf, in welchen bei einer auf die Welle 1 einwirken den Torsion entlang der dargestellten Mittellinie M zwei Hauptdehnungen un gleichen Betrages an der Oberfläche 9 der Welle 1 auftreten, welche aus Sicht des Widerstandes 4 einer Longitudinaldehnung L und einer Transversaldeh nung T entsprechen.

Dieser Effekt wird ausgenutzt, um das Meßsignal, welches an den Kontaktflä chen 5 von der aus den vier Dehnungsmeßstreifen bestehenden Meßbrücke abgenommen wird (vgl. Fig. 1).

Das gemeinsame Dielektrikum 2 für alle Meßwiderstände 4 ist dem radialen Bereich 8 des Langloches 7 angepaßt.

Bei einer, einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Welle ohne geometri sche Änderungen werden die zwei Hauptdehnungen an der Oberfläche 9 unter 45° zur Welle ausgenutzt. Die verwendeten Dickschichtwiderstandspasten wei sen positive K-Faktoren für die longitudinale und transversale Dehnung auf. Die effektive Widerstandsänderung bestimmt sich dabei aus der Differenz der K-Faktoren:

wobei ε_L = - ε_T Daraus ergibt sich ein
K_Effektiv = ε.(K_L-K_T)
Dabei ist K_L K-Faktor für die longitudinale Dehnung
K_T K-Faktor für die transversale Dehnung
ε Dehnung

Bei der beschriebenen Rechteckwelle 1 (Fig. 3b) wird in Folge des Langlo ches 7 der Dehnungsmeßstreifen in der beschriebenen Art und Weise im ra dialen Bereich 8 des Langloches 7 angeordnet. Dadurch überlagern sich die auf der Oberfläche angreifenden mechanischen Spannungen z. B. Torsion und Biegung. Die resultierenden Hauptdehnungen haben dabei nicht den gleichen Betrag sondern ein Verhältnis von longitudinaler zu transversaler Dehnung von beispielsweise 1 : -0,3.

K_Effektiv = ε.(Y.K_L-X.K_T) mit X = 0,3.
Y=1.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Welle 1, bei welcher an jedem Längs rand eine halbkreisförmige Ausnehmung 7 eingebracht ist. In den radialen Be reichen 8 dieser halbkreisförmigen Ausnehmung 7 werden die Widerstände 4, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert, angeordnet. Ein Abschnitt entlang der Mittellinie M, in welchen die beiden sich gegenüberliegenden halbkreisför migen Ausnehmungen 7 den kleinsten Abstand zueinander aufweisen, bleibt frei von Widerständen.

Sowohl die in Fig. 3 als auch die in Fig. 4 dargestellte Welle 1 ermöglicht die redundanzfähige Anordnung zwei der Widerstandsbereiche z. B. je eine Wider standsbrücke in jedem radialen Bereich 8 des Langloches 7.

Aufgrund dieser einfachen mechanischen Anordnung kann eine Signalerhö hung in Abhängigkeit von der verwendeten Dickschichtwiderstandspaste bis zu über 300% erzielt werden.

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 der Welle 1 aufgetragen. Die Paste enthält dabei eine Glasfritte, die bei geringerer Temperatur sinterbar ist, als das Material der Welle 1. Nach Aufbringen der Paste wird ebenfalls in Siebdrucktechnik eine leitende Schicht aufgebracht, die die Leiterbahn 3 und die Kontaktflächen 5 bildet, auf welcher wiederum die die Widerstände 4 bildende Widerstandsschicht ange ordnet ist.

Die so vorbereitete Welle 1 wird in einem Hochtemperaturprozeß bei etwa einer Temperatur von 750° bis 900°C wärmebehandelt. Dabei versintert die Glas schicht mit der Oberfläche des Stahls der Welle 1. Bei diesem Aufsintern wer den zwischen dem Dielektrikum 2 und der Welle 1 Oxydbrücken gebildet, die eine unlösbare Verbindung zwischen Welle 1 und Dielektrikum 2 gewährleisten.

Diese starre innige Verbindung bedeckt gegenüber der Klebetechnik eine ge ringere Dehnungshysterese.

Alternativ zu der pastenähnlichen Isolierschicht 2 kann diese auch als flexible Folienschicht aufgebracht werden. Dabei werden in einem ersten Schritt auf dem folienartigen Dielektrikum 2 in schon bekannter Art und Weise die Leiter bahn 3 und die Kontaktflächen 5 sowie die Widerstände 4 aufgebracht. Das folienähnliche Dielektrikum wird danach auf die Welle 1 aufgelegt. Der dem ra dialen Bereich 8 des Langloches 7 angepaßte Bereich der folienartigen Isolati onsschicht 2 dient dabei als Justierhilfe, damit die dehnungsempfindlichen Wi derstände 4 in dem Bereich der Welle 1 angeordnet werden, in welchem bei Torsion der Welle 1 die größten Unterschiede zwischen lateralen und transver salen Dehnungskräften auftreten.

Das beschriebene folienähnliche Dielektrikum 1 besteht aus einem Kunstharz mit einer Glasfritte, auf welcher durch Siebdrucktechnik das Muster des Wider standes 4 aufgebracht wird. In Siebdrucktechnik werden nacheinander die Lei terbahn 3 mit den Kontaktflächen 5 sowie der Meßwiderstand 4 und anschlie ßend die Passivierungsschicht 6 aufgebracht. Widerstand 4 und Leiterbahn 3 sind Leitpasten, die leitende Teilchen und Glasfritte enthalten. Während eines Hochtemperaturprozesses von ungefähr 850°C erfolgt ein aufsintern sämtlicher Schichten auf der Welle 1 sowie ein rückstandsloses Vergasen des im Dielek trikum 2 enthaltenen Kunststoffs. Auch hier wird durch das entstehen von Oxydbrücken zwischen Welle 1 und Dielektrikum 2 eine haltbare Verbindung zwischen beiden erzeugt. Nach dem Sintern verbleiben die Strukturen von Iso lations- und Leitschichten auf der Welle 1.

In Fig. 5 ist eine Anordnung für einen dehnungsempfindlichen Widerstand dargestellt, der separat vom eigentlichen Trägerelement, der Welle 1 hergestellt und anschließend auf diese Welle 1 aufgebracht wird.

Auf einem Trägerblatt 10, welches beispielsweise ein handelsübliches Wachs papier ist, wird eine nicht leitende Paste als Isolationsschicht 2 im Siebdruck verfahren aufgedruckt und getrocknet. Die Paste enthält eine Glasfritte, die bei geringerer Temperatur sinterbar ist, als das Material der Welle 1. Nach der Trocknung der Paste wird die Leiterbahn 3 ebenfalls im Siebdruck aufgedruckt und getrocknet und anschließend zur Erzeugung der Widerstandsschicht 4 eine Platinteilchen enthaltende Leitpaste auf die Leiterbahnschicht 3 aufgedruckt. Nach der Trocknung dieser Widerstandsschicht 4 wird die gesamte Struktur bestehend aus Dielektrikum 2, Leiterbahn 3 und Widerstand 4 mit einer flexi blen Kunstharzschicht 11 vollständig bedeckt, die als Folie wirkt. Diese Folie 11 haftet mit ihren Rändern auf dem Trägerblatt 10.

Diese vorbereitete Anordnung wird nun nach dem Prinzip eines Abziehbildes vom Trägerblatt 10 entfernt, indem die flexible Folienschicht 11 als Transport hilfe für die Strukturen 2, 3, 4 genutzt wird.

Da die Haftung des Dielektrikums 2 an dem Trägerblatt 10 wesentlich geringer ist als an der flexiblen Folienschicht 11, verbleibt beim Trennen von Trägerblatt 10 und der flexiblen Folienschicht 11 die gesamte Widerstandsstruktur und das Dielektrikum 2 immer auf der Folienschicht 11.

Diese Folienschicht 11 wird so auf die Welle 1 gelegt, daß der radiale Bereich des Dielektrikums 2 mit dem radialen Bereich 8 des Langloches 7 in Deckung gebracht wird. Das Dielektrikum 2 tritt dabei in direkten Kontakt mit der Welle 1. Da die über das Dielektrikum 2 hinausragende Folienschicht 11 haftende Ei genschaften besitzt, verbleibt die beschriebene Anordnung in ihrer auf den Träger 1 aufgebrachten Lage.

Vor dem Aufbringen der Struktur auf die Welle 1 wird der Stahl mit einem Haft vermittler zur besseren Fixierung des Dielektrikums 2 auf der Welle 1 benetzt.

Beim sich daran anschließenden Hochtemperaturprozeß verbrennt bzw. ver gast die flexible Folienschicht 11 bei einer Temperatur von annähernd 300°C. Bei einer weiteren Erhöhung der Temperatur auf annähernd 700° bis 900°C versintert die Glasschicht des Dielektrikums 2 mit der Oberfläche der Welle 1. Bei diesem Aufsintern werden zwischen dem Dielektrikum 2 und der Welle 1 Oxydbrücken gebildet, die eine unmittelbare Verbindung zwischen Welle 1 und Dielektrikum 2 gewährleisten.

Nach dem rückstandslosen Vergasen der flexiblen Folienschicht 11 verbleiben die Strukturen in Form von Isolations-, Leitbahn- und Widerstandsschichten auf der Welle 1.

Durch das Trägerblatt 10 ist die Anordnung sehr praktisch zu handhaben, da keine Gefahr des unbeabsichtigten Verklebens der flexiblen Folienschicht 11 vor Abziehen des Trägerblattes 10 besteht.

Fig. 6 zeigt einen Dickschichtdrehmomentsensor-Hybrid mit den eben erläu terten Dehnungsmeßstreifen, der in Hilfskrafteinrichtungen von Kraftfahrzeu gen, insbesondere bei elektrischen oder elektrohydraulischen Lenkhilfesyste men Einsatz findet.

Die zu belastende Welle 1 ist quaderförmig gestaltet. Auf der Welle 1 ist in der oben beschriebenen Art und Weise ein Dielektrikum 2 angeordnet, auf welchen eine Widerstandsmeßbrücke 12 mittels den als Dehnungsmeßstreifen wirken den Meßwiderständen 4 aufgebracht ist. Die Widerstandsmeßbrücke 12 be steht in bekannter Art und Weise aus vier Widerständen 4, die über Leiterbah nen 3 mit elektrischen Kontaktflächen 5 verbunden sind.

Wie aus Fig. 6 erkennbar ist, ist die in Dickschichttechnik aufgebrachte Wider standsmeßbrücke 12 über eine ebenfalls in Dickschichttechnik hergestellte Leiterbahn 13 mit der Auswerteelektronik 14 verbunden. Die Auswerteelektro nik 14 besteht aus diskreten Bauelementen, die an den Kontaktflächen 5 mit der Widerstandsmeßbrücke 12 verbunden sind. Diese Auswerteelektronik 14 kann separat oder aber wie im vorliegenden Fall direkt auf der Welle 1 ange ordnet sein, wo sie an den Kontaktflächen 5 verlötet ist.

Zur berührungslosen Signalübertragung des Sensorsignales ist eine Spule 15 ebenfalls aus in Dickschichttechnik gefertigte Leiterbahn und Kontaktflächen auf der Welle 1 ausgebildet und mit der Auswerteelektronik 14 verbunden. Al ternativ kann die Spule auch in konventioneller Technik (Wicklung) aufgebaut sein.

Durch die Möglichkeit, die Spule 15 in Dickschichttechnik aufzudrucken, wer den externe Lötverbindungen eingespart. Die Kontaktierung der Auswerteelek tronik 14 erfolgt dabei vorteilhafterweise an den Kontaktflächen 5 durch Ober flächenmontage (SMD-Technik). Dadurch entsteht ein Hybrid, der das Senso relement und die Elektronik umfaßt und direkt auf der Welle 1 erstellt werden kann. Ein solcher Sensor kann mit Kunststoff, z. B. Silikon vergossen werden.

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

In Fig. 7 ist das erfindungsgemäße Drehmoment- Sensorhybrid im Schnitt dargestellt. Auf den von der Passivierungsschicht 6 unbedeckten Kontaktflä chen 5 sind diskrete Bauteile 16 der Auswerteschaltung 14 aufgelötet.

Claims

1. Dehnungsempfindlicher Widerstand, bestehend aus einer auf einem Trägerelement angeordneten Widerstandsschicht, dadurch gekenn zeichnet, daß das Trägerelement (1) auf seiner Oberfläche (9) eine Ausnehmung (7) aufweist, welche bei mechanischer Beanspruchung des Trägerelementes (1) in mindestens einem Bereich der Oberfläche (9) des Trägerelementes (1), in welchem die Widerstandsschicht (4) positio niert ist, ein betragsmäßig ungleiches Verhältnis der beiden Hauptdeh nungen (L, T) der Widerstandsschicht (4) erzeugt.

2. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach Anspruch 1 dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausnehmung (7) als durchgängige Öffnung des Trä gerelementes (1) ausgebildet ist.

3. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach Anspruch 2 dadurch gekenn zeichnet, daß die Öffnung als Langloch (7) ausgebildet ist, wobei die Widerstandsschicht (4) in der Nähe eines radialen Bereiches (8) des Langloches (7) angeordnet ist.

4. Widerstand nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekenn zeichnet, daß die Widerstandsschicht (8) auf einer plan ausgebildeten Oberfläche (9) des Trägerelementes (1) angeordnet ist.

5. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (1) ein mechanisch durch Torsion zu beanspruchendes Bauteil ist.

6. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die pastenartig ausgebildete, in Drucktechnik auf das Trägerelement (1) aufgebrachte Widerstands schicht (4) während eines Hochtemperaturprozesses eine innige Verbin dung mit dem Trägerelement (1) eingeht.

7. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Trägerelement (1) elektrisch leitend ausgebildet ist, wobei zwischen der Widerstandsschicht (4) und dem Trägerelement (1) eine Isolationsschicht (2) angeordnet ist.

8. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) pastenartig ausgebildet ist und in einem selbständigen Hochtemperaturprozeß vor der Wider standsschicht (4) oder gemeinsam mit der Widerstandsschicht (4) wäh rend eines Hochtemperaturprozesses auf das Trägerelement (1) aufge bracht wird.

9. Dehnungsempfindlicher Widerstand nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) folienartig ausgebildet ist und während eines selbständigen Hochtemperaturprozesses vor der Wi derstandsschicht (4) oder gemeinsam mit der Widerstandsschicht (4) während eines Hochtemperaturprozesses auf das Trägerelement (1) aufgebracht wird.

10. Mechanisch-elektrischer Wandler mit einer Einrichtung mit dehnungs empfindlichen Widerständen gemäß Patentanspruch 1, welche aus einer auf einem Trägerelement angeordneten Widerstandsschicht bestehen, wobei die Widerstandsschicht und das Trägerelement durch eine Isolati onsschicht getrennt sind und an den Widerständen ein der Dehnung entsprechendes elektrisches Signal abnehmbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß das Trägerelement (1) auf seiner Oberfläche (9) eine Ausnehmung (7) aufweist, welche bei mechanischer Beanspruchung des Trägerelementes (1) in mindestens einem Bereich der Oberfläche des Trägerelementes (1), in welchem die Widerstände (4) positioniert sind, ein betragsmäßig ungleiches Verhältnis von longitudinaler (L) und trans versaler Dehnung (T)erzeugt, wobei auf dem Trägerelement (1) eine Auswerteelektronik (14) für das der Dehnung entsprechende elektrische Signal angeordnet ist.

11. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das Trägerelement (1) das mechanisch durch Torsion zu belastende Bauteil ist.

12. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (4) und die Struktur der Auswer teelektronik (14) auf einer gemeinsamen, folienartigen Isolationsschicht (2) angeordnet sind.

13. Verfahren zur Herstellung des dehnungsempfindlichen Widerstandes nach Anspruch 1, bei welchem auf dem Trägerelement nacheinander die Isolationsschicht und die Widerstandsschicht aufgebracht werden, da durch gekennzeichnet, daß die folienartig ausgebildete, die Wider standsschicht (4) tragende Isolationsschicht (2) in mindestens einem Bereich der Form der Ausnehmung (7) an der Oberfläche (9) des Trä gerelementes (1) angepaßt ist, wobei dieser Bereich deckungsgleich mit dieser Form der Ausnehmung (7) auf die Oberfläche (9) des Trägerele mentes (1) aufgebracht und anschließend wärmebeaufschlagt wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines dehnungsempfindlichen Widerstandes nach Anspruch 1, bei welchem auf dem Trägerelement nacheinander die Isolationsschicht und die Widerstandsschicht aufgebracht werden, da durch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (2) und/oder die Wi derstandsschicht (4) auf ein Trägerblatt (10) aufgebracht werden, wo nach die die Isolations- (2) und/oder Widerstandsschicht (4) tragende Seite des Trägerblattes (10) mit einer flexiblen Folienschicht (11) voll ständig überdeckt wird, deren Haftung an der Isolations- (2) und/oder Widerstandsschicht (4) größer ist als die Haftung des Trägerblattes (10) an der Isolations- (2) und/oder Widerstandsschicht (4), wobei mindestens die Folienschicht (11) in einem Bereich der Form der Ausnehmung (7) an der Oberfläche (9) des Trägerelementes (1) angepaßt ist, und die Foli enschicht (11) mit der Isolations- (2) und/oder Widerstandsschicht (4) derart auf das Trägerelement (1) aufgebracht wird, daß die übereinstim mend geformten Bereiche der Ausnehmung (7) und der Folienschicht (11) deckungsgleich ausgerichtet sind, wobei das Trägerelement (1) zum Ausbrennen der Folienschicht (11) und aufsintern der Isolations- (2) und/oder Widerstandsschicht (4) anschließend wärmebeaufschlagt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Isola tionsschicht- (2) und/oder die Widerstandsschicht (4) in Drucktechnik auf das Trägerblatt (10) aufgebracht und getrocknet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Isolationsschicht (2) auf dem Trägerblatt (10) eine Widerstandsschicht (4) auf diese Isolationsschicht (2) aufgebracht wird, wobei anschließend die die Isolationsschicht (2) und die Wider standsschicht (4) vollständig überdeckende Folienschicht (11) angeord net wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Isola tionsschicht (2) in Form von einer Glasfritte auf das Trägerblatt (10) auf gedruckt wird und nach dem Trocknen der Glasfritte eine Leitpaste als Widerstandsschicht (4) auf die Isolationsschicht aufgedruckt und ge trocknet wird und anschließend die Folienschicht (11) aufgebracht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einem ersten Trägerblatt angeordnete und getrocknete Isolationsschicht (2) auf das Trägerelement (1) mittels der Folienschicht (11) aufgebracht und wärmebeaufschlagt wird, und anschließend die auf einem zweiten Trägerblatt gedruckte und getrocknete Widerstandsschicht (4) mit Hilfe der auf ihr angeordneten zweiten Folienschicht (11) auf der schon wär mebehandelten Isolationsschicht (2) angeordnet wird und anschließend ebenfalls wärmebehandelt wird.