DE3429250C1

DE3429250C1 - Auf die Einwirkung einer Kraft ansprechender Sensor

Info

Publication number: DE3429250C1
Application number: DE3429250A
Authority: DE
Inventors: Vaclav F. 8300 Viecht Vilimek
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1984-08-08
Filing date: 1984-08-08
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE171056T1; DE3581675D1; US4641539A; EP0171056A2; EP0171056A3; EP0171056B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen auf die Einwirkung einer Kraft ansprechenden Sensor mit einem Grundkörper und einem Kraftaufnahmeelement, das mit dem Grundkörper über wenigstens ein Trägerelement verbunden ist, das sich unter dem Einfluß einer auf das Kraftaufnahmeelement einwirkenden Kraft verformt, wobei im Verformungsbereich zwischen jedem Trägerelement und dem Kraftaufnahmeelement ein auf die Verformung mit einer Änderung eines physikalischen Parameters reagierendes Meßglied angebracht ist.

Bei einem Sensor dieser Art besteht die Möglichkeit, daß mechanische Beschädigungen eines oder mehrerer Trägerelemente auftreten, die das Kraftaufnahmeelement halten. Die mechanische Beschädigung kann dabei derart sein, daß der Sensor zwar noch Meßsignale liefert, jedoch seine Ansprechcharakteristik so verändert hat, daß die Auswertung dieser Signale zu falschen Ergebnissen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der geschilderten Art so auszugestalten, daß sich sein Funktionszustand zur Vermeidung von Fehlmessungen mit einfachen Mitteln ständig überprüfen läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine ununterbrochene Leiterbahn, die sich von einer ersten Anschlußfläche auf dem Grundkörper über jedes Trägerelement und das Kraftaufnahmeelement zu einer zweiten Anschlußfläche auf dem Grundkörper erstreckt.

Die beim erfindungsgemäßen Sensor verwendete Leiterbahn ist ununterbrochen, wenn der Sensor einwandfrei arbeitet, also keine mechanischen Beschädigungen zeigt. Sobald jedoch ein Trägerelement infolge einer zu großen mechanischen Beanspruchung bricht, wird auch die Leiterbahn unterbrochen, was zum Erkennen eines Fehlerzustandes ausgenutzt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Im Unteranspruch 5 ist eine Anordnung zum Messen einer Kraft unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors und einer mit dem Meßglied verbundenen Auswertungsschaltung angegeben, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mit den Anschlußflächen auf dem Grundkörper eine Stromdurchgangs-Prüfschaltung verbunden ist, die beim Feststellen einer Unterbrechung des Stromdurchgangs durch die Leiterbahn die Auswertungsschaltung unwirksam macht. In dieser Anordnung wird das Anzeigen verfälschter Meßergebnisse, die auf mechanische Beschädigungen an den Trägerelementen zurückzuführen sind, mit Sicherheit verhindert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Sensor,

Fig.2 einen perspektivisch ergänzten Schnitt längs der Linie A-A von F i g. 1 und

Fig.3 ein Blockschaltbild eines Anwendungsbeispiels des Sensors von F i g. 1.

Der in F i g. 1 in einer Draufsicht dargestellte Sensor enthält einen Grundkörper 12 und ein Kraftaufnahmeelement 14, das über vier Trägerelemente 16,18,20 und 22 mit dem Grundkörper 12 verbunden ist. Das Kraftaufnahmeelement 14 hat eine quadratische Form, und die Trägerelemente 16 bis 22 verlaufen parallel zu den Rändern des Kraftaufnahmeelements 14. Die Trägerelemente 16 bis 22 sind an einem Ende mit dem Grundkörper 12 und am anderen Ende mit dem Kraftaufnahmeelement 14 an dessen Eckbereichen verbunden. Beiderseits der Trägerelemente 16 bis 22 sind jeweils Schlitze 24, 26, 28 und 30 angebracht, die die Trägerelemente zwischen ihren Enden vom Grundkörper 12 einerseits und vom Kraftaufnahmeelement 14 andererseits trennen.

Wie aus der Schnittansicht von F i g. 2 zu erkennen ist,
hat das Kraftaufnahmeelement 14 eine relativ große
Dicke, und die Trägerelemente 16 bis 22 sind dünne,
blattfederartige Streifen, die das Kraftaufnahmeelement 14 mit dem Grundkörper 12 verbunden halten.
Das Kraftaufnahmeelement 14 kann sich unter der Einwirkung einer Kraft, die senkrecht zu seiner Flächenausdehnung wirkt, in der Ansicht von F ί g. 2 nach oben
oder nach unten verschieben. Die Trägerelemente 16 bis

brochenen Trägerelements. Nach F i g. 1 erstreckt sich diese Leiterbahn 44 von einer ersten Anschlußfläche 46 auf dem Grundkörper 12 über das Trägerelement 22, das Kraftaufnahmeelement 14, das Trägerelement 16, 5 erneut über das Kraftaufnahmeelement 14, das Trägerelement 16, erneut über das Kraftaufnahmeelement 14, das Trägerelement 20, wieder über das Kraftaufnahmeelement 14 und schließlich über das Trägerelement 18 zu einer zweiten Anschlußfläche 48 auf dem Grundkör-22 verformen sich dabei und begrenzen die höchstzuläs- io per 12. Aufgrund des geschilderten Verlaufs der Leitersige Auslenkung. In einem Bereich der Trägerelemente bahn 44 wird die elektrische Verbindung zwischen der 16 bis 22, in dem sich diese verformen, wenn auf das Anschlußfläche 46 und der Anschlußfläche 48 mit Si-Kraftaufnahmeelement 14 eine Kraft einwirkt, sind cherheit unterbrochen, wenn eines der Trägerelemente Meßglieder 32, 34, 36 und 38 angebracht, die auf die 16 bis 22 aufgrund einer zu großen, auf den Sensor 10 Verformung mit einer Änderung eines ihrer physikali- 15 einwirkenden Beschleunigung bricht. Somit ist es mögschen Parameter ansprechen. Bei diesen Meßgliedern lieh, vor Auswertung des mittels der Meßglieder 32 bis 32 bis 38 kann es sich um Piezowiderstandselemente 38 gewonnenen elektrischen Signals stets zu überprühandeln, deren elektrischer Widerstand sich unter dem fen, ob eine mechanische Beschädigung des Sensors 10 Einfluß einer mechanischen Verformung ändert. Wenn vorliegt oder nicht, insbesondere ob eines der Trägerdie Meßglieder 32 bis 38 beispielsweise in einer Brük- 20 elemente 16 bis 22 gebrochen ist oder nicht. Fehlmeskenschaltung miteinander verbunden werden, in der sungen der auf den Sensor 10 einwirkenden Beschleunidurch die einzelnen Meßglieder ein elektrischer Strom gung werden daher ausgeschlossen, fließt, dann kann ein elektrisches Signal erhalten wer- Die Leiterbahn 44 kann auf der Oberfläche des Senden, das eine Aussage darüber ermöglicht, ob und wie- sors 10 relativ niederohmig gemacht werden, so daß weit sich die Trägerelemente durch eine Auslenkung 25 demzufolge ein relativ großer Strom zur Zustandskondes Kraftaufnahmeelements verformt haben. Wegen trolle hindurchgeschickt werden kann. Dieser große seiner Dicke hat das Kraftaufnahmeelement 14 eine de- Strom gewährleistet, daß auch dann, wenn in einem Träfinierte Masse, die auf eine Beschleunigung anspricht. gerelement und demzufolge in dem darauf befindlichen Der dargestellte Sensor ist also ein Beschleunigungs- Abschnitt der Leiterbahn 44 ein Haarriß aufgetreten ist, Sensor, und das mit Hilfe der Meßglieder 32 bis 38 er- 30 eine sichere Unterbrechung des Stroms zwischen den zeugbare elektrische Signal ermöglicht eine Aussage Anschlußflächen 46 und 48 auftritt, da bei einem relativ über die Beschleunigung, die das mit dem Grundkörper großen Strom die an dem Haarriß in der Leiterbahn 12 verbundene Kraftaufnahmeelement 14 erfahren hat. auftretende Verlustleistung groß genug ist, durch Erhit-In dem Schnitt von Fig.2 ist zu erkennen, wie die zung eine völlige Unterbrechung der Leiterbahn her-Verbindung zwischen einem Trägerelement und dem 35 vorzurufen, so daß ein eindeutiger Fehlerzustand ange-Kraftaufnahmeelement 14 ausgestaltet ist. Insbesonde- zeigt werden kann.

re ist zu erkennen, daß das Trägerelement einstückig In F i g. 1 ist die Leiterbahn 44 als unabhängige Lei-

mit dem Kraftaufnahmeelement 14 verbunden ist. terbahn dargestellt, die mit den Meßgliedern 32 bis 38

Der Grundkörper 12, das Kraftaufnahmeelement 14 nicht in Verbindung steht. Es ist prinzipiell auch mög- und die Trägerelemente 16 bis 22 des Beschleunigungs- 40 lieh, die elektrischen Versorgungsleitungen der Meß-Sensors 10 bestehen aus monokristallinem Silicium. Bei glieder 32 bis 38 so auf der Oberfläche des Sensors 10

anzubringen, daß sie wie die Leiterbahn 44 über alle Trägerelemente hinwegführen. Bei einer solchen Ausgestaltung würde das Brechen eines Trägerelements ei-45 ne Unterbrechung des Meßstromkreises hervorrufen, so daß dadurch ebenfalls eine Fehleranzeige gewonnen werden könnte.

In F i g. 3 ist die Anwendung des Sensors 10 in einem Blockschaltbild dargestellt. Der Sensor 10 kann dabei

der Herstellung des Sensors wird von einem Plättchen
aus monokristallinem Siliciummaterial ausgegangen, in
das gemäß dem Schnitt der F i g. 3 Nuten 40, 42 geätzt
werden.

Diese Nuten 40, 42 werden so tief geätzt, daß das
Kraftaufnahmeelement 14 nur noch über Stege mit dem
Grundkörper 12 verbunden ist, die die Dicke der zu
bildenden Trägerelemente 16 bis 22 haben. Durch die
Stege werden dann die Schlitze 24 bis 30 in dem aus 50 als Kraftsensor oder auch als Beschleunigungssensor

F i g. 1 ersichtlichen Muster geätzt, so daß die blattfe- eingesetzt werden. Welche physikalische Größe gemes-

derartigen Trägerelemente 16 bis 22 entstehen. Im Ver- sen wird, hängt von der Auswertungsschaltung 50 ab.

bindungsbereich zwischen den Trägerelementen 16 bis Die Auswertungsschaltung 50 schickt über Leitungen 52

und dem Grundkörper 12 werden dann die Meßglie- einen Strom durch die im Sensor 10 enthaltenen Meßder 32 bis 38 aus Piezowiderstandsmaterial aufgebracht. 55 glieder 32 bis 38, die, wie erwähnt, von Piezowider-

Die Anschlußleiter zu den Meßgliedern 32 bis 38 sind in Standselementen gebildet sind. Verformen sich diese

der Zeichnung der Einfachheit halber weggelassen, da Piezowiderstandselemente aufgrund einer auf den Sen-

sie für die Erfindung unwesentlich sind. sor 10 einwirkenden Beschleunigung oder einer auf das

Wenn der Beschleunigungs-Sensor 10 einer zu gro- Kraftaufnahmeelement 14 einwirkenden Kraft, ändern ßen Beschleunigung ausgesetzt wird, kann ein Träger- 60 sich die Widerstandswerte der Piezowiderstandseleelement 16 bis 22 brechen, so daß das dem gebrochenen mente. Die Auswertungsschaltung kann aus der Wider-Trägerelement zugeordnete Meßglied nicht mehr die Standsänderung die einwirkende Beschleunigung oder auf die jeweilige Beschleunigung zurückzuführende Kraft ableiten. Die Stromdurchgangs-Prüfschaltung 54 Verformung anzeigt. Eine auf der Oberfläche des Be- schickt über Leitungen 56 einen Strom durch die sich schleunigungs-Sensors 10 als Metallschicht aufgebrach- 65 zwischen den Anschlußflächen 46 und 48 erstreckende te Leiterbahn 44 ermöglicht eine ständige Kontrolle des Leiterbahn 44. Solange dieser Strom fließt, zeigt dies, Zustandes der Trägerelemente 16 bis 22; insbesondere daß die Leiterbahn 44 nicht unterbrochen ist. Stellt die ermöglicht diese Leiterbahn 44 das Erkennen eines ge- Stromdurchgangs-Prüfschaltung 54 dagegen fest, daß

kein Stromdurchgang durch die Leiterbahn 44 mehr möglich ist, was beispielsweise auf das Brechen eines Trägerelements 16 bis 22 zurückzuführen ist, dann führt sie der Auswertungsschaltung 50 über eine Leitung 58 ein Signal zu, daß die Auswertungsschaltung unwirksam macht. Dies bedeutet, daß die Auswertungsschaltung 50 nur dann Meßergebnisse liefert, wenn alle Trägerelemente 16 bis 22 im Sensor 10 in einwandfreiem Zustand sind, so daß demgemäß auch richtige Meßergebnisse erwartet werden können. Sobald ein Trägerelement gebrachen ist, der Sensor 10 also falsche Ausgangssignale liefern würde, erzeugt die Auswertungsschaltung 50 keine Meßergebnisse, da sie, wie erwähnt, von der Stromdurchgangs-Prüfschaltung 54 unwirksam gemacht worden ist. Auf diese Weise wird mit großer Sicherheit das Anzeigen falscher Meßergebnisse verhindert.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 44 von einer Metallschicht gebildet. Die Leiterbahn 44 kann jedoch auch auf andere Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann sie eine durch Diffusion oder Ionenimplantation im Halbleitermaterial erzeugte leitende Zone sein, die sich wie die von einer Metallschicht gebildete Leiterbahn 44 im Halbleitermaterial von der ersten Anschlußfläche über jedes Trägerelement und das Kraftaufnahmeelement zu der zweiten Anschlußfläche erstreckt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Auf die Einwirkung einer Kraft ansprechender Sensor mit einem Grundkörper und einem Kraftaufnahmeelement, das mit dem Grundkörper über wenigstens ein Trägerelement verbunden ist, das sich unter dem Einfluß einer auf das Kraftaufnahmeelement einwirkenden Kraft verformt, wobei im Verformungsbereich zwischen jedem Trägerelement und dem Kraftaufnahmeelement ein auf die Verformung mit einer Änderung eines physikalischen Parameters reagierendes Meßglied angebracht ist, gekennzeichnet durch eine ununterbrochene Leiterbahn (44), die sich von einer ersten Anschlußfläche (46) auf dem Grundkörper (12) über jedes Trägerelement (16,18, 20, 22) und das Kraftaufnahmeelement (14) zu einer zweiten Anschlußfläche (48) auf dem Grundkörper (12) erstreckt und als Indikator für mechanische Beschädigung dient.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftaufnahmeelement (14) quadratisch ausgebildet ist und im Bereich seiner Ecken über vier Trägerelemente (16,18,20,22) mit dem Grundkörper (12) verbunden ist, von denen jeweils eines parallel zu einem Rand des Kraftaufnahmeelements (14) verläuft, daß die vier Trägerelemente (16,18,20, 22) entlang ihrer Längsränder durch Schlitze (24,26, 28, 30) von dem Grundkörper (12) und vom Kraftaufnahmeelement (14) getrennt sind und an einem Ende mit dem Grundkörper (12) und am anderen Ende mit dem Kraftaufnahmeelement (14) verbunden sind, und daß die Leiterbahn (44) zwischen den beiden Anschlußflächen (46, 48) über alle vier Trägerelemente (16,18,20,22) geführt ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12), jedes Trägerelement (16, 18, 20, 22) und das Kraftaufnahmeelement (14) einstückig aus monokristallinem Silicium bestehen.

4. Sensor nach Anspruch 3_r dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (44) aus einer fest auf dem Grundkörper (12), dem Kraftaufnahmeelement (14) und den Trägerelementen (16,18,20,22) angebrachten Metallschicht besteht.

5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (44) aus einer im monokristallinen Silicium durch Diffusion oder Ionenimplantation gebildeten leitenden Zone besteht.

6. Anordnung zum Messen einer Kraft unter Verwendung eines Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und einer mit dem Meßglied verbundenen Auswertungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Anschlußflächen (46, 48) auf dem Grundkörper (12) eine Stromdurchgangs-Prüfschaltung (54) verbunden ist, die beim Feststellen einer Unterbrechung des Stromdurchgangs durch die Leiterbahn (44) die Auswertungsschaltung (50) unwirksam macht.

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