DE19956914A1 - Piezoresistiver Kraftsensor - Google Patents

Abstract

Ein Kraftsensor nach dem piezoresistiven Effekt zur Erzeugung einer kraftproportionalen, elektrischen Messgröße aus der Widerstandsänderung wird durch Verwendung von Widerstands-Bauelementen (1), sogenannten Chip- oder SMD-Widerständen, hergestellt. Dazu sind diese kofpseitig mittels Lötverbindung (6) einzupassen in einen Krafteinleitungsstempel (3) und eine Halterung (4), die beide aus leitfähigem, lötbarem Material bestehen und die zugleich als elektrische Zuleitung (7) sowie als Kraft- bzw. Momenten-Einleitung dienen. DOLLAR A Das Widerstands-Bauelement verhält sich wie ein Biegebalken, wobei seine Widerstandsschicht (2) auf der Oberfläche des meist keramischen Substrats bei Dehnung bzw. Stauchung piezoresistiv seinen Widerstandswert verändert. Zur Begrenzung der Durchbiegung a kann ein verstellbarer Anschlag (5) vorgesehen werden. Die Sensoren sind überall da einsetzbar, wo ihre Halterung beziehungsweise ihr Anschlag direkt an den mechanischen Konstruktionsteilen angebracht werden kann und der Krafteinleitungsstempel zur freien Krafteinleitung genutzt wird. Eine Abdichtung durch wasserdichte elastische Vergussmassen ist ebenso möglich. Grundsätzlich sind diese Sensoren sowohl für Druck- als auch Zugkräfte einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Kraftsensor, enthaltend einen Biegebalken mit einer mindestens einseitig aufgebrachten Widerstandsschicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kraftsensors.

Die bekannten piezoresistiven Kraftsensoren, bei denen elektrische Widerstandsschichten unter Krafteinwirkung elastisch verformt werden und die daraus resultierenden Widerstandsänderungen zur Messung der einwirkenden Kräfte genutzt werden, bestehen aus einem Biegebalken (Federkörper), auf dem elektrische Folien-, Dickschicht- oder Dünnschicht-Widerstände aufgebracht sind. Der Biegebalken ist in der Regel einstückig an dem Grundkörper des Kraftsensors ausgebildet und besitzt an seinem frei schwingenden Ende einen ebenfalls einstückig mit dem Biegebalken ausgebildeten Krafteinleitungsstempel. Aufgrund dieser besonderen Formgebung ist die Herstellung piezoresistiver Kraftsensoren mit einem verhältnismäßig hohen Aufwand verbunden.

Aufgabe der vorliegend Erfindung war es, einfacher und kostengünstiger herzustellende Kraftsensoren zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Biegebalken an einem ersten Kopfende in einer Halterung und an seinem zweiten Kopfende in einem Kraft­ einleitungsstempel gefasst ist, wobei die Halterung und der Krafteinleitungs­ stempel jeweils elektrischen Kontakt zur Widerstandsschicht herstellen. Die Widerstandsschicht wird dadurch elektrisch leitend zwischen Krafteinleitungs­ stempel und Halterung eingepasst, so dass sie bei Krafteinwirkung eine piezoresistive Widerstandsänderung zeigt, die zur Messung der einwirkenden Kraft genutzt wird.

Anders als beim Stand der Technik sind die Halterung und der Krafteinleitungs­ stempel vom Biegebalken separate Bauteile. Hierdurch gelingt es, die Herstellung des Kraftsensors erheblich zu vereinfachen, da der Biegebalken als solcher ohne besondere Formgebungen hergestellt werden kann. Er kann insbesondere als einfacher Quader hergestellt werden, an dem mindestens eine Oberfläche mit einer Widerstandsschicht versehen wird.

Bauelemente der zuletzt genannten Art sind auch für andere Zwecke geeignet und daher kostengünstig erhältlich. Bei diesen Bauelementen handelt es sich um Widerstände, die in der Elektronik-Fertigung als sogenannte Chip-Widerstände oder SMD-Widerstände (Surface Mounted Device) mannigfach in elektrischen Schaltungen eingesetzt und von zahlreichen Herstellern angeboten werden. Auf einem Substrat, das meist aus Industriekeramik besteht, ist die Widerstands­ schicht aufgebracht, wobei teilweise die gleichen Beschichtungstechniken und Materialien benutzt werden wie bei der Herstellung herkömmlicher piezoresistiver Sensoren. Es hat sich gezeigt, dass derartige Chip-Widerstände piezoresistives Verhalten zeigen. Daher werden diese bekannten Widerstands-Bauelemente (Chip Widerstände) im Elastizitätsbereich ihrer Substrate für den erfindungsgemäßen Aufbau von Kraftsensoren verwendet. Dies wird möglich durch den Aufbau des Kraftsensors, bei dem ein separater Biegebalken von einer Halterung und einem Krafteinleitungsstempel gefasst wird. Als Biegebalken können somit die am Markt in verschiedenen Toleranzklassen erhältlichen Bauelemente verwendet werden, die in einem einfachen Fertigungsvorgang durch Löt-, Klebe- oder Schweißverbindungen an den Kopfenden mit Krafteinleitungs­ stempeln und Halterungen versehen werden können. Dieser Fertigungsvorgang wird noch dadurch erleichtert, dass die Kopfenden der fertigen Chip-Widerstände ohnehin rundum mit einer lötfähigen, verzinnten Kontaktbeschichtung ausgeführt sind.

Die Befestigung der Halterung und/oder des Krafteinleitungsstempels am Kopfende des Biegebalkens kann auf verschiedene Arten geschehen. Bevorzugt ist es, wenn die Halterung und/oder der Krafteinleitungsstempel das jeweilige Kopfende rahmenförmig oder U-förmig umgeben. Hierdurch wird einerseits ein fester Sitz garantiert, andererseits lässt sich die Verbindung leicht herstellen, indem Biegebalken und Halterung bzw. Krafteinleitungsstempel zusammen­ gesteckt, dann geklemmt und anschließend dauerhaft kraftschlüssig und elektrisch leitend verbunden werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung befindet sich in Richtung der Kraftwirkung gesehen unter dem Krafteinleitungsstempel ein Anschlag, welcher vorzugsweise höhenverstellbar ist. D. h., dass die Auslenkung des Biegebalkens aufgrund der auf den Krafteinleitungsstempel wirkenden Kraft durch den Anschlag begrenzt ist. Hierdurch kann eine ungewollte Zerstörung des Kraftsensors durch zu hohe Kräfte verhindert werden. Vorteilhafterweise ist der Anschlag dabei höhenverstellbar, so dass die Bewegungsgrenzen des Biegebalkens individuell angepasst werden können.

Die Verbindung der Halterung und/oder des Krafteinleitungsstempels mit dem Kopfende des Biegebalkens kann vorzugsweise durch Löten, Kleben oder Verschweißen erfolgen. Diese Verfahren sind verhältnismäßig schnell und einfach in der Anwendung und garantieren eine hohe Festigkeit der Verbindung.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist der Kraftsensor mindestens zwei in eine gemeinsame Halterung eingesetzte und vorzugsweise gleichartig ausgebildete Biegebalken auf. Durch die mehrfache Anordnung von Biegebalken können sowohl die mechanischen als auch die sensorischen Eigenschaften des Kraftsensors positiv beeinflusst werden. Wenn jeder Biegebalken zur Kraftmessung verwendet wird, lassen sich hierdurch Bauteiltoleranzen und Bauteilausfälle ausgleichen.

Eine spezielle Anwendung von mindestens zwei Biegebalken entsteht dadurch, dass eine Krafteinleitungsplatte mit den Krafteinleitungsstempeln der Biegebalken in einem kraftübertragenden Kontakt angeordnet wird. Die Krafteinleitungsplatte dient dann als Angriffskörper für eine zu messende Kraft, wobei durch die unterschiedliche Weiterleitung dieser Kraft auf die einzelnen Biegebalken und die Messung der individuellen Reaktionen der Biegebalken der Angriffspunkt der Kraft bestimmt werden kann. Eine Anwendungsmöglichkeit eines derartigen Sensors liegt bei sogenannten Touch-Screens vor, also Bildschirmen, die bei Berührung mit einem spitzen Gegenstand oder einem Finger den Berührungspunkt erkennen können.

Bei der beschriebenen Anordnung steht die Krafteinleitungsplatte mit den Kraft­ einleitungsstempeln vorzugsweise in Gleitkontakt. Das heißt, dass von der auf die Krafteinleitungsplatte wirkenden Kraft nur die Komponenten, die senkrecht zur Gleitfläche zwischen Krafteinleitungsplatte und Krafteinleitungsstempeln stehen, übertragen werden. Querkräfte können daher die Messung nicht verfälschen.

Der oben beschriebene Sensor wird vorzugsweise in einem Gehäuse gekapselt, so dass er gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt ist. Dabei kann die Krafteinleitungsplatte eine Gehäusewand bilden und vorzugsweise von einer flexiblen Folie abgedeckt sein, durch welche hindurch die unverfälschte Kraftübertragung möglich ist.

Die mindestens zwei Biegebalken können parallel nebeneinander angeordnet werden, um die Biegesteifigkeit der ganzen Anordnung zu erhöhen bzw. die Gesamtkraft auf die einzelnen Widerstands-Bauelemente zu verteilen.

Ferner können mindestens zwei Biegebalken auf einer Linie angeordnet werden, wodurch die zwischen den Biegebalken angeordnete Halterung praktisch nicht auf Biegung beansprucht wird, wenn die Gesamtkraft je zur Hälfte auf die beiden Krafteinleitungsstempel bzw. Biegebalken einwirkt.

Darüber hinaus können die Biegebalken sternförmig angeordnet sein, wobei die Gesamtkraft beispielsweise über einen Ring oder eine glockenförmige Krafteinleitung auf die mehreren (vorzugsweise vier) Krafteinleitungsstempel verteilt wird.

Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Kraftsensor mindestens zwei Widerstandsschichten an (in Bezug auf die Reaktion auf eine Krafteinwirkung) komplementären Stauch- und Dehnungszonen des Biegebalkens angeordnet. Das hat den Vorteil, dass bei einem solchen Paar von Widerstandsschichten die eine sensitive Schicht bei einer Krafteinwirkung gestaucht wird, während sich die andere sensitive Schicht dehnt. Somit lassen sich zwei piezoresistive Widerstände zusammen mit zwei Festwiderständen zu einer sog. wheatstoneschen Halb- Brücke verschalten, die gegenüber der einfachen Brückenschaltung die doppelte Empfindlichkeit besitzt. Vier piezoresistive Widerstände sind sogar zur sogenannten Voll-Brücke mit vierfacher Empfindlichkeit zu verschalten.

Zur Erfindung gehört ferner ein Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven Kraftsensors der oben beschriebenen Art, bei welchem ein mindestens einseitig mit einer Widerstandsschicht versehener Biegebalken an seinem ersten Kopfende in eine Halterung und an seinem zweiten Kopfende in einen Krafteinleitungs­ stempel geklemmt wird, und bei welchem der Biegebalken anschließend mit der Halterung bzw. dem Krafteinleitungsstempel verlötet, verklebt und/oder verschweißt wird. Der Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, dass es auf einfache Weise möglich wird, Biegebalken einfacher geometrischer Form zum Aufbau des Kraftsensors zu verwenden. Insbesondere können daher am Markt erhältliche Chip-Widerstände als Biegebalken eingesetzt werden.

Dabei wird vorzugsweise gleichzeitig mit dem Biegebalken ein elektrisches Verbindungskabel an der Verbindungsstelle zwischen Halterung bzw. Kraft­ einleitungsstempel und Biegebalken befestigt. Die mechanische und elektrische Verbindung kann somit in einem Arbeitsgang ausgeführt werden, wobei das Verbindungskabel zunächst mit eingeklemmt werden kann und dadurch fixiert wird und anschließend durch Löten, Kleben oder Schweißen eine elektrisch gut leitende dauerhafte Verbindung entsteht.

Wenn ein Krafisensor der oben beschriebenen Art mit mindestens zwei Biegebalken und einer Krafteinleitungsplatte hergestellt werden soll, kann dies mit Hilfe eines Ausgleichsklebers oder einer Vergussmasse geschehen. Mit diesem Kleber bzw. der Vergussmasse wird die Krafteinleitungsplatte auf Zwischenplatten so fixiert, dass sie Kraftschluss zu allen Krafteinleitungsstempeln der Kraftsensoren hat und Querkräfte nicht übertragbar sind, weil die Zwischenplatten auf den Krafteinleitungsstempeln frei gleiten.

Dabei wird vorzugsweise der piezoresistive Krafisensor auf einer Grundplatte angeordnet und die Oberfläche der Krafteinleitungsplatte planparallel zur Unterseite der Grundplatte justiert. Dies ist verhältnismäßig einfach durchzuführen, da der Kleber bzw. die Vergussmasse beim Herstellungsvorgang die Justierung ohne weiteres zulassen und anschließend unter Fixierung der eingestellten Abstände erhärten.

Zum Schutz gegen Staub und Feuchtigkeit kann der piezoresistive Kraftsensor in einem Gehäuse angeordnet werden, wobei als weichelastische Verbindung zwischen der Krafteinleitungsplatte und dem Gehäuse Dichtungen und/oder Folien angeordnet werden. Diese behindern aufgrund ihrer Flexibilität die Einleitung einer externen Kraft nicht. Durch den Einschluss in einem Gehäuse entsteht eine rundum geschlossene Kraftmessplatte.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau des Kraftsensors mit dem Chip-Widerstand (1) als Biegebalken, kopfseitig eingefasst in kasten- oder rahmenförmigen Krafteinleitungselementen;

Fig. 2 den Grundaufbau eines Kraftsensors, kopfseitig eingefasst in U-förmigen Krafteinleitungselementen;

Fig. 3 den Aufbau des Kraftsensors aus einer Aufreihung von 2 Chip- Widerständen, einseitig eingefasst in einem U-schienenförmigen Halterungsteil;

Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Kraftsensors mit zwei Widerstands- Bauelementen, U-förmigen Krafteinleitungsstempeln und H-förmigem Halterungsteil;

Fig. 5 eine Ausführung in Sternform mit 4 Chip-Widerständen;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel als Kraftmess- oder Wägeplatte unter Verwendung von drei oder mehr Kraftsensoren der vorbeschriebenen Art;

Fig. 7 die Ausführung einer Kraftmess- oder Wägeplatte im staub- und feuchtegeschützten Gehäuse.

Fig. 1 zeigt den Grundaufbau des Kraftsensors, bestehend aus einem Biegebalken 1, bei dem es sich um ein sensitives Widerstandselement mit piezoresistiver Widerstandsschicht 2 handelt, sowie aus einem rahmenförmigem Krafteinleitungsstempel 3 und einer rahmenförmigen Halterung 4. Die Halterung 4 ist mit einem Anschlag 5 durch eine verstellbare Schraubverbindung 8 kraftschlüssig zusammengefügt. Der Anschlag könnte auch Teil der Unterkonstruktion sein, auf die die Kraft F einwirkt. In diesem Falle würde die Schraubbefestigung die kraftschlüssige Verbindung des Sensors mit der Unterkonstruktion darstellen. Wenn die Schraubverbindung verstellbar ausgeführt ist, kann der Abstand a zwischen unbelastetem Krafteinleitungsstempel und Anschlag mittels Fühlerlehren oder anderer Abstandsmessmittel sehr genau fixiert werden, um die gewünschte oder die maximale Durchbiegung einzustellen und damit das Einstellen des Messbereichsendwertes zu erlauben und/oder den Sensor vor Überlast zu schützen. Die kopfseitige Rundum-Lötverbindung 6 ergibt sowohl einen guten Kraftschluss als auch eine günstige elektrische Durchverbindung zur Lötöse 9 mit Kabellitze 7.

An Stelle rahmenförmiger Krafteinleitungsteile bzw. Halterungen sind gemäß Fig. 2 grundsätzlich auch U-förmige möglich, die erforderliche Festigkeit vorausgesetzt. Die U-förmigen Krafteinleitungsteile 3a bzw. Halterungen 10 haben erfahrungsgemäß den Vorteil, dass sich die Widerstands-Bauelemente darin einklemmen lassen, wobei ihre Position geringfügig nachjustierbar ist. Das U-förmige Halterungsteil 10 wird durch kraftschlüssiges Verschrauben, Verschweißen, Verlöten oder Verkleben an der Kontaktfläche 13 mit der Grundplatte 11 verbunden. Die Einpassung der Widerstands-Bauelemente in die U-förmigen Krafteinleitungsteile erfolgt durch Lötverbindung. Durch eine entsprechende Fertigungsvorrichtung sind dabei die Teüe so zusammenzufügen, dass der zulässige und notwendige Abstand a zwischen Krafteinleitungsstempel und Grundplatte während des Lötvorgangs eingehalten wird. Dies wird möglich, wenn man zwischen Krafteinleitungsstempel 3a und Grundplatte 11 eine Fühlerlehre einklemmt, indem man mit einer Klammer den Krafteinleitungsstempel und die Grundplatte zusammenpresst. Der Anschluss der Zuleitungslitze 7 ist hier durch eine Anschlussverschraubung 12 am Krafteinleitungsstempel 3a und eine Lötöse 9 am Halterungsteil 10 vorgesehen.

Fig. 3 stellt den Aufbau des Kraftsensors aus einer Aufreihung von zwei Chip- Widerständen mit Krafteinleitungsstempeln 3a und 3b dar. Die U-förmige Schiene 14 ist elektrisch gesehen der Mittelanschluss zwischen den beiden Widerstands- Bauelementen. Mechanisch gesehen kann die Gesamtkraft hier auf zwei Biegebalken verteilt werden, wenn über den beiden Krafteinleitungsstempeln ein Joch angeordnet wird. Der Grundaufbau entspricht im übrigen der Anordnung nach Fig. 2. Ordnet man hier die sensitive Schicht 2 bei dem einen Chip- Widerstand oben und bei dem andern unten an, so wird sie unter Einwirkung einer Druckkraft im einen Fall gedehnt, im andern Fall gestaucht. Zusammen mit zwei Festwiderständen lässt sich daraus eine wheatstonesche Halbbrücke schalten. In ähnlicher Weise kann bei allen Anordnungen mit einer geradzahligen Anzahl von Bauelementen paarweise ein Bauelement mit der sensitiven Schicht nach oben, das andere mit der sensitiven Schicht nach unten angeordnet werden. Natürlich können prinzipiell auch an einem einzigen Biegebalken beidseitig Widerstandsschichten aufgebracht werden, welche dann getrennt abgegriffen werden müssen.

Durch das Aufreihen von zwei oder mehr Widerstandselementen kann die Biegesteifigkeit der ganzen Anordnung durch mechanischen Parallelschaltung beliebig erhöht bzw. die Gesamtkraft auf die einzelnen Widerstands-Bauelemente verteilt werden. Dabei sind die Krafteinleitungsstempel 3a oder 3b mit Widerstands-Bauelement und Litze 7 als vorgefertigte Teile immer wieder zu verwenden und je nach gewünschter Steifigkeit der Anordnung mehrfach einzufügen.

Fig. 4 gibt eine Ausführungsvariante des Kraftsensors mit zwei Widerstands- Bauelementen 1 und einem H-förmigem Halterungsteil 15, das fest mit einer Grundplatte 18 verbunden ist, wieder. Im übrigen funktioniert der Aufbau wie unter Fig. 2 beschrieben. Insbesondere kann beim nachfolgenden Einlöten des Widerstands-Bauelements in das Halterungsteil eine Justierung auf den Abstand a vorgenommen werden. Die Krafteinleitung kann hier wieder über ein Joch erfolgen, das auf den beiden Krafteinleitungsstempeln 3c und 3d aufliegt. Dabei wird das Halterungsteil praktisch nicht auf Biegung beansprucht, wenn die Gesamtkraft je zur Hälfte auf die beiden Krafteinleitungsstempel einwirkt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung mit Anordnung der Chip-Widerstände in Sternform. Dazu ist in der Mitte ein stern- oder kreuzförmiges Halterungsteil 16 erforderlich, in welches die Kopfenden der Widerstands-Bauelemente 1 eingepasst werden. Beim nachfolgenden Einlöten des Widerstands-Bauelements in das Halterungsteil kann eine Justierung auf den Abstand a vorgenommen werden. Die Gesamtkraft kann über eine ring- oder glockenförmige Krafteinleitung auf die Krafteinleitungsstempel verteilt werden. Da jeweils zwei Widerstands-Bauelemente gegenüberliegend angeordnet sind, wird bei gleichmäßiger Kraftverteilung durch eine Krafteinleitungsglocke das Halterungsteil nicht durch zusätzliche Drehmomente belastet.

Die beiden Krafteinleitungsteile (Halterung und Krafteinleitungsstempel) werden erfindungsgemäß sowohl als mechanische Krafteinleitungselemente als auch als elektrische Anschlusselemente genutzt. Wie die Fig. 1 bis 5 zeigen, sind für den Anschluss der flexiblen elektrischen Zuleitung 7 unter anderem Lötösen 9 und Schraubkontakte 12 vorgesehen, die in ähnlicher Weise auch für handelsübliche Schraubklemmen und sogenannte Crimpkontakte ausgeführt werden können. Am einfachsten kann bei den U-förmigen Krafteinleitungsteilen das abisolierte Litzenende 21 gemäß Fig. 5 direkt unter dem eingeklemmten Widerstands- Bauelement gehalten und mitverlötet werden.

Fig. 6 stellt dar, wie eine Gesamtkraft G durch eine Krafteinleitungsplatte 22 auf die mindestens drei darunter positionierten Kraftsensoren in einfacher Weise sehr gleichmäßig verteilt werden kann. Dazu ist ein zäher, aushärtender Kleber in gleichen, geringen Dosierungen 23 auf Zwischenplättchen 24 aufzubringen, die ihrerseits auf den Krafteinleitungsstempeln der einzelnen Sensoren liegen. Durch leichtes Anpressen der Krafteinleitungsplatte 22 wird ein gleichmäßiger Kraftschluss zu allen Sensoren erreicht, da die Klebertropfen weitgehend die gleiche Gegenkraft erzeugen. Zugleich ist damit Planparallelität zwischen der Oberseite der Krafteinleitungsplatten 22 und der Unterseite der Grundplatte 20 zu erzielen. Verarbeitet man die Einzelsignale der unterlegten Kraftsensoren, so ist bei Einleitung einer einzigen, annähernd punktförmigen Gesamtkraft G mit dieser Anordnung auch der Kraftangriffspunkt von G feststellbar. Die Zwischenplatten 24 haben den Vorteil, dass der Krafteinleitungsstempel auf ihnen frei gleiten kann, so dass Querkräfte nicht eingeleitet werden. Grundsätzlich sind an Stelle der kreuzförmigen auch andere Sensoranordnungen unter der Krafteinleitungsplatte möglich.

Fig. 7 zeigt, wie mindestens drei der beschriebenen Kraftsensoren zu einer staub- und feuchtedicht abgeschlossenen Einheit zusammengefügt werden, indem die Krafteinleitungsplatte 22 rundum durch eine weichelastische Dichtung 25a, 25b mit einem den Sensor umgebenden Gehäuse 27 verbunden wird. Durch entsprechende Bemessung der Gehäusehöhe kann die Anordnung so zusammengefügt werden, dass beispielsweise die Oberfläche der Krafteinleitungsplatte 22 und die Oberkante des Gehäuses 27 bündig sind.

Verringert man die Gehäusehöhe geringfügig, so ist auch ein Einfügen der Sensoranordnung unter Vorspannung möglich. Wahlweise kann das Zusammenfügen der Anordnung auch durch eine elastische Folie 26 erfolgen, die auf der Oberfläche der Krafteinleitungsplatte 22 und dem Rand des Gehäuses 27 aufgeklebt wird und in den Bereichen 26a und 26b, d. h. über dem Spalt zwischen Krafteinleitungsplatte 22 und Gehäuse 27, möglichst weichelastisch sein muss. Da jedoch die Auslenkung a der Kraftsensoren erfahrungsgemäß weniger als 0,05 mm beträgt, machen sich bei ausreichender Bemessung des Spalts zwischen Krafteinleitungsplatte und Gehäusewand die Biegekräfte der Folien nicht bemerkbar. Diese Anordnung kann eingesetzt werden bei sog. Touch-Screen- Bildschirmen, wobei die Krafteinleitungsplatte 22 durch einen Flachbildschirm realisiert ist und aus den Messsignalen der hinterlegten Kraftsensoren auf den Angriffspunkt der Druckkraft geschlossen wird.

Der vorgeschlagene Aufbau macht eine Modulbauweise möglich, die für die verschiedensten Anwendungen einsetzbar ist. Bei entsprechender Bemessung sind teilweise handelsübliche Verbindungselemente, Manschetten und vorgefertigte Teile einsetzbar. Schließlich lassen sich z. B. durch Befestigung von Kugelgelenken an den Krafteinleitungsstempeln alle aufgeführten Anordnungen auch bidirektional für Druck- und Zugkräfte verwenden.

Ferner können die Sensorteile nach der mechanischen Einstellung und dem elektrischen Anschluss durch elastischen Lack oder Kleber oder andere wasserdichte elastische Vergussmassen versiegelt werden.

Die Sensoren sind überall da einsetzbar, wo ihre Halterung beziehungsweise ihr Anschlag direkt an den mechanischen Konstruktionsteilen angebracht werden kann und der Krafteinleitungsstempel zur freien Krafteinleitung genutzt wird.

Bezugszeichenliste

1

Widerstands-Bauelement (Chip-Widerstand)

2

sensitive Widerstandsschicht

3

Krafteinleitungsstempel, rahmenförmig

3

a-

3

d Krafteinleitungsstempel, U-förmig

4

Halterung

5

Anschlag

6

Lötverbindung

7

Zuleitungslitze

8

Schraubverbindung zwischen Anschlag und Halterung

9

Lötösen

10

Halterungsteil, U-förmig

11

Grundplatte für U-förmiges Halterungsteil

12

Anschlussverschraubung für Zuleitung

13

Kontaktfläche zwischen U-förmigem Halterungsteil und Grundplatte

14

Halterungsteil, U-schienenförmig

15

Halterungsteil, H-förmig

16

Halterungsteil, sternförmig

17

Kontaktfläche zwischen H-förmigem Halterungsteil und Grundplatte

18

Grundplatte für H-förmiges Halterungsteil

19

Kontaktfläche zwischen stemförmigem Halterungsteil und Grundplatte

20

Grundplatte für sternförmiges Halterungsteil

21

abisoliertes Litzenende, im U-förmigen Krafteinleitungsteil eingelötet

22

Krafteinleitungsplatte

23

zäher Montagekleber

24

gleitfähige Zwischenplatte

25

a,

25

b weichelastische Dichtungen

26

weichelastische Folie

26

a,

26

b Biegebereiche der weichelastischen Folie

27

Gehäuse für Kraftmessplatte
a Abstand
G Gesamtkraft
F Kraft auf Krafteinleitungsstempel

Claims (19)

1. Piezoresistiver Kraftsensor, enthaltend einen Biegebalken (1) mit einer mindestens einseitig aufgebrachten Widerstandsschicht (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken an einem ersten Kopfende in einer Halterung (10, 14, 15, 16) und an seinem zweiten Kopfende in einem Krafteinleitungsstempel (3, 3a-d) gefasst ist, wobei die Halterung und der Krafteinleitungsstempel jeweils elektrischen Kontakt zur Widerstandsschicht herstellen.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegebalken (1) aus einem keramischen Material besteht.

3. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung und/oder der Kraft­ einleitungsstempel (3) das Kopfende des Biegebalkens (1) rahmenförmig umgeben.

4. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (10, 14, 15, 16) und/oder der Krafteinleitungsstempel (3a-d) das Kopfende des Biegebalkens (1) U-förmig umgeben.

5. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Kraftwirkungsrichtung gesehen unter dem Krafteinleitungsstempel (3) ein Anschlag (5) befindet, welcher vorzugsweise höhenverstellbar ist.

6. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (10, 14, 15, 16) und/oder der Krafteinleitungsstempel (3, 3a-d) mit dem Kopfende des Biegebalkens (1) durch Löten, Kleben oder Verschweißen verbunden ist.

7. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei in eine gemeinsame Halterung (14, 15, 16) eingesetzte und vorzugsweise gleichartig ausgebildete Biegebalken (1) aufweist.

8. Kraftsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Krafteinleitungsplatte (22) aufweist, die mit den Krafteinleitungsstempeln der mindestens zwei Biegebalken (1) in einem kraftübertragenden Kontakt steht.

9. Kraftsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungsplatte (22) mit den Krafteinleitungsstempeln in Gleitkontakt steht.

10. Kraftsensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Gehäuse (27) gekapselt ist, wobei die Krafteinleitungsplatte (22) eine Gehäusewand bildet und vorzugsweise von einer flexiblen Folie (26) abgedeckt ist.

11. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Biegebalken (1) parallel nebeneinander angeordnet sind.

12. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Biegebalken (1) auf einer Linie angeordnet sind.

13. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegebalken (1)sternförmig angeordnet sind.

14. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Widerstandsschichten an komplementären Stauch- und Dehnungszonen des Biegebalkens (1) angeordnet sind.

15. Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven Kraftsensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein mindestens einseitig mit einer Widerstandsschicht (2) versehener Biegebalken (1) an seinem ersten Kopfende in eine Halterung (10, 14, 15, 16) und an seinem zweiten Kopfende in einen Krafteinleitungsstempel (3, 3a-d) geklemmt wird und dass er anschließend mit der Halterung bzw. dem Krafteinleitungsstempel verlötet, verklebt und/oder verschweißt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit dem Biegebalken (1) ein elektrisches Verbindungskabel (7) an der Verbindungsstelle zwischen Halterung (10, 14, 15, 16) bzw. Kraft­ einleitungsstempel (3, 3a-d) und Biegebalken befestigt wird.

17. Verfähren nach einem der Ansprüche 15 oder 16 zur Herstellung eines piezoresistiven Kraftsensors nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Ausgleichsklebers oder einer Vergussmasse (23) eine Krafteinleitungsplatte (22) auf Zwischenplatten (24) so fixiert wird, dass sie Kraftschluss zu allen Kraft­ einleitungsstempeln der Kraftsensoren hat und Querkräfte nicht übertragbar sind, weil die Zwischenplatten auf den Krafteinleitungsstempeln frei gleiten.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoresistive Kraftsensor auf einer Grundplatte (20) angeordnet wird und dass die Oberfläche der Krafteinleitungsplatte (22) planparallel zur Unterseite der Grundplatte (20) justiert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoresistive Kraftsensor in einem Gehäuse (27) angeordnet wird und dass als weichelastische Verbindung zwischen der Krafteinleitungsplatte (22) und dem Gehäuse (27) Dichtungen (25a, 25b) und/oder Folien (26) angeordnet werden, so dass eine rundum geschlossene Kraftmessplatte entsteht.