DE4014511A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines sensors zum bestimmen von druckkraeften - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Her­ stellung eines Sensors entsprechend dem Oberbegriff des Hauptan­ spruchs.

Ein Verfahren dieser Art wurde in der deutschen Anmeldung P 39 12 280 vorgeschlagen. Darin wird zunächst in Dickschichttechnik eine Drucksensoranordnung auf einen Stahlträger aufgebracht. An­ schließend wird die Schichtanordnung mit einer Gießmasse oder mit einem anderen geeigneten Material überzogen und so geschliffen, daß die Oberfläche des Sensors planparallel zur Unterfläche des Trägers verläuft. Neben der Planparallelität soll durch das Schleifen gleichzeitig eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit erzielt werden, da nur bei einer vollkommen glatten Oberfläche eine gute Flächenpressung möglich ist. Das Schleifen stellt deshalb einen auf­ wendigen und kostenintensiven Herstellungsschritt dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es erlaubt, einen Drucksensor mit einer gleichmäßigen Flächenpressung ohne aufwendige Nachbearbeitung kostengünstig her­ zustellen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäß in Dickschichttechnik hergestellte Sensor zeich­ net sich durch eine sehr glatte Oberfläche aus, die hervorragende Flächenpressungseigenschaften mit einer Steigerung der Empfindlich­ keit und geringer Hysterese ermöglichen. Eine aufwendige Nachbehand­ lung des einzelnen Sensors zur Herstellung einer glatten Oberfläche entfällt. Stattdessen muß lediglich einmalig eine dann für beliebig viele Herstellungsvorgänge wiederverwendbare Druckunterlage glatt geschliffen werden. Die aktive Schicht aus leitfähigem Plastik-Mate­ rial zeigt über einen großen Bereich eine weitgehend lineare Druck-Widerstandscharakteristik. Die Sensoren sind mechanisch sehr robust und über einen weiten Bereich temperaturunabhängig. Eine Vielzahl von geometrischen Ausgestaltungen ist möglich. So ist durch entsprechende Gestaltung von Preßwerkzeug und Druckunterlage eine beliebige äußere Formgebung möglich, wie beispielsweise die Form einer Unterlegscheibe oder eine Stabform. Die Dickschichttechnik erlaubt es aber auch, bei fester äußerer Form des Sensors verschie­ dene Oberflächenaufteilungen zu gestalten. Beispielsweise ist es bei einem scheibenförmigen Sensor möglich, die aktive Schicht entweder parallel zum Scheibenrand oder aber mäanderförmig auszugestalten.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt der mit einem Trennmittel benetzten Druckunterlage,

Fig. 2 einen Schnitt der Druckunterlage nach Auf­ bringung der Sensorschichtanordnung unter Weglassung der Trennmit­ telschicht,

Fig. 3 einen Schnitt des Preßwerkzeuges mit darin be­ findlicher Kunststoffpreßmasse und eingelegter Sensoranordnung gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 einen Schnitt durch den fertigen Preßling.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In einem vorbereitenden Verfahrensschritt wird die Oberfläche einer Druckunterlage 10 hochglanzpoliert. Das dabei erzeugte Oberflächen­ profil findet sich als Negativabdruck auf der späteren Sensorober­ fläche 31 wieder. Mit der Oberflächenrauhigkeit der Druckunterlage wird also die Oberflächenrauhigkeit des fertiggestellten Sensors festgelegt. Die Bearbeitung der Oberfläche 1 der Druckunterlage 10 muß deshalb mit einem der angestrebten Güte der Sensoroberfläche 31 entsprechenden Aufwand durchgeführt werden. Als Material für die Druckunterlage 10 wird Stahl verwendet. Geeignet sind auch Aluminium sowie keramische Werkstoffe.

Im ersten Verfahrensschritt, Fig. 1, wird die glattpolierte Ober­ fläche der Druckunterlage 10 vorzugsweise vollständig mit einem Trennmittel 11 benetzt. Dieser Schritt kann jedoch entfallen, wenn für die darauf aufgebrachte Dickschichtanordnung eine Paste verwen­ det wird, der ein Trennmittel bereits beigemischt wurde.

Im zweiten Verfahrensschritt, Fig. 2, wird auf die hochglanzpolier­ te Seite 1 der Druckunterlage 10 durch Siebdruck zuerst eine Isola­ tionsschicht 14 aufgedruckt. Diese kann unter Freilassung der Kon­ taktierungen wahlweise die gesamte Oberfläche der Druckunterlage be­ decken. Zweckmäßig bedeckt sie aber nur den Teil der Oberfläche 1, auf den anschließend die Widerstandsbahn 12 aufgebracht wird. Um eine direkte Verbindung der Widerstandsbahn 12 mit der Oberfläche 31 auszuschließen, sollte die Isolationsschicht 14 eine geringfügig über die Fläche der Widerstandsbahn 12 hinausgehende Fläche besit­ zen. Als Material für die Isolationsschicht 14 eignet sich, speziell im Hinblick auf die Verpressung der einzelnen Schichten, eine Poly­ merpaste, vorzugsweise mit Phenolharz als Binder. Die Dicke der Iso­ lationsschicht 14 liegt zweckmäßig bei 20 bis 25 µm. Da eine ein­ zelne Isolationsschicht häufig noch Störstellen aufweist, sind im allgemeinen, um Porenfreiheit und somit gute Isolationseigenschaften zu gewährleisten, weitere Isolationsschichten vorzusehen. Als bei der Schichtdicke von 20 µm ausreichend erwiesen haben sich zwei bis drei Schichten.

Auf die Isolationsschichten 14 folgt eine druckempfindliche Wider­ standsschicht, welche die Widerstandsbahn 12 bildet. Die für die Widerstandsbahn 12 gewünschte Struktur wird als Spiegelbild aufge­ druckt. Die Widerstandsschicht besteht vorzugsweise aus leitfähigem Plastik-Material. Dieses hat gegenüber anderen druckempfindlichen Materialen, die grundsätzlich auch verwendet werden können, den Vor­ teil, daß es sich mit anderen ebenfalls auf Kunststoffbasis aufge­ bauten Schichten sehr innig verbinden läßt. Gut geeignete Leit-Pla­ stik-Materialien sind auf Phenolharz basierende Pasten, wie sie bei­ spielsweise bei der Fa. TOCOS, Japan, Serie 4200 erhältlich sind. Die Dicke der druckempfindlichen Schicht 12 beträgt, wie die der Isolationsschicht, vorzugsweise 20 bis 25 µm, möglich sind aber auch von diesem Wert deutlich verschiedene Schichtdicken. Dabei ist bei größeren Schichtdicken zu berücksichtigen, daß infolge des dann größeren Bahnquerschnitts der Bahnwiderstand und damit auch das Meß­ signal abnehmen. Soll diesem begegnet werden, kann durch Wahl eines Materials mit höherem spezifischen Widerstand eine Kompensation er­ reicht werden. Auch kleinere Schichtdicken können realisiert werden, dabei ist ein genügend feinkörniges sowie entsprechend niederohmiges Pastenmaterial zu verwenden.

Als dritte Schicht wird zur Kontaktierung der druckempfindlichen Widerstandsbahnen eine elektrisch leitfähige Schicht, vorzugsweise aus Leitpolymerpaste, aufgebracht, welche die Leitungsbahnen 13 bil­ det. Die Leitungsbahnen 13 werden zweckmäßig entlang der Ränder der Widerstandsbahn so aufgebracht, daß sie sowohl die Ränder der Wider­ standsbahn 12, als auch die Ränder der darunter befindlichen Isola­ tionsschichten 14 überlappen, und auf der Druckunterlage enden.

Bei der beschriebenen Ausführung ist eine spätere Kontaktierung des Sensors von der Sensoroberfläche her vorgesehen. Soll dagegen die Kontaktierung des Sensors von der Rückseite her erfolgen, ist eine an die Oberfläche der Druckunterlage grenzende Aufbringung der Lei­ tungsbahnen nicht notwendig. Gegebenenfalls sind in diesem Fall an­ dere besondere Vorrichtungen, wie beispielsweise Steckanschlüsse, für die Kontaktierung nach außen vorzusehen.

Für den dritten Verfahrensschritt, Fig. 3, wird zunächst in ein Preßwerkzeug 20 bis 22 eine Kunststoffpreßmasse 15 gegebenen. Als Preßwerkzeug 20 bis 22 wird eine nach einer Seite offene Form mit vorzugsweise abnehmbaren Seitenteilen 20 und einem beweglichen Bo­ denteil 21 verwendet. Die Oberfläche 22 des Bodenteils 21, d. h. die zur Innenseite der Preßform gerichtete Fläche, ist glattpoliert. Durch die Gestaltung der Seitenteile 20 des Preßwerkzeuges 20 bis 22 wird die äußere Form des späteren Sensors festgelegt. Werden Formen mit Aussparungen gewünscht, wie z. B. eine Unterlegscheibenform, sind im Preßwerkzeug 20 bis 22 entsprechende Maßnahmen vorzusehen. Als gut geeignetes Kunststoffpreßmassenmaterial erwiesen haben sich Duroplaste, insbesondere Diallylphthalat, kurz mit DAP bezeichnet, sowie Phenol. Beide Stoffe sind bei Zimmertemperatur pulverförmig. Für eine leichtere Handhabung werden sie deshalb zweckmäßig in Tablettenform 15a gebracht. Das Preßmassenmaterial wird dann in das Preßwerkzeug 20 bis 22 gegeben. Damit das zunächst starre Ausgangs­ material plastisch verformbar wird, wird der Preßvorgang bei erhöh­ ter Temperatur durchgeführt. Die Temperatur ist dabei so hoch zu wählen, daß das Kunststoffmaterial in die viskose Phase übergeht, aber auch so niedrig, daß in der Schichtanordnung, vor allem an den durckempfindlichen Widerstandsbahnen, keine Verkohlung auftritt. Für die beschriebene Anordnung als geeignet erwiesen hat sich eine Tem­ peratur von 130°C bis 180°C, vorzugsweise von ca. 150°C.

Werden für die Schichtanordnung oder die Preßmasse nicht auf einem Kunststoff basierenden Materialien eingesetzt, ist gegebenenfalls eine entsprechende angepaßte Temperatur zu wählen. Der im Preßvor­ gang aufzubringende Druck, mit welchem die Kunststoffpreßmasse 15 mit der Schichtanordnung 11-14 verpreßt wird, ist so hoch zu wäh­ len, daß eine ausreichende Härte des erzeugten Preßlings erreicht wird. Zweckmäßig ist ein Druck von mindestens 20 N/mm². Darüber hinausgehende Drücke sind möglich, bei sehr viel größeren Drücken ist zu berücksichtigen, daß die Schichtstruktur zerstört werden kann.

Abschließend wird der Preßling, Fig. 4, bei einer Temperatur von 120 bis 200°C in Luft ausgehärtet. Genaue Temperatur und Dauer der Aushärtung richten sich dabei individuell nach der Art des verwen­ deten Harzes sowie der jeweils zur Verfügung stehenden Ofenanlage. Sie sind so zu wählen, daß eine vollständige Polymerisation des Preßlings, Fig. 4, und eine vollständige Austreibung von im Preß­ ling, Fig. 4, vorhandenen Lösungsmitteln erfolgt.

Nach Beendigung des Preßvorganges wird der durch die Verpressung der Schichtanordnung 11 bis 14 mit der Kunststoffpreßmasse 15 erzeugte Preßling, Fig. 4, von der Druckunterlage getrennt. Nach Entfernung etwaiger Trennmittelreste liegt die Sensoroberfläche 31 frei, eine weitere Nachbehandlung ist nicht erforderlich.

Für die Glättungstiefe der Sensoroberfläche 31 kann bei entsprechen­ der Vorbehandlung der Oberfläche 1 der Druckunterlage 10 ohne Mühe ein Wert von unter 0,5 µm erreicht werden. Die Druckunterlage 10 kann zur Herstellung weiterer Sensoren erneut verwendet werden.

In Erweiterung des beschriebenen Ausführungsbeispiels, Fig. 1 bis 4, können mehrere Widerstandsbahnen 12 mit einer entsprechend größeren Anzahl von Leitungsbahnen 13 auf einem einzelnen Sensor plaziert werden.

Das beschriebene Verfahren erlaubt ferner eine gleichzeitige und deshalb kostengünstige Fertigung mehrerer Sensoren in einem Verfah­ rensablauf. Dazu sind die Druckunterlage 10 und die zur Verfahrens­ durchführung erforderlichen Werkzeuge, insbesondere das Preßwerkzeug 20 bis 22, so groß zu dimensionieren, daß mehrere Sensoren nebenein­ ander auf derselben Druckunterlage 10 angeordnet werden können. Das Verfahren kann darüber hinaus wie im Ausführunsbeispiel beschrieben durchgeführt werden. Durch Heraustrennen aus dem fertigen Preßling werden die einzelnen Sensoren erhalten.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines in Dickschichttechnik aufgebauten Sensors zum Bestimmen von Druckkräften, mit wenigstens einem Dick­ schichtwiderstand (12), welcher vorzugsweise auf einer isolierenden Schicht (14) auf einer bevorzugt metallischen Druckunterlage (10), die zur Schichtanordnung hin eine glatte Oberfläche (1) besitzt, aufgebracht und an wenigstens zwei räumlich getrennten Stellen durch Leitungsbahnen (13) elektrisch kontaktiert ist, wobei die Oberfläche (31) des Sensors so behandelt wird, daß sie planparallel zur Sensor­ unterseite verläuft, insbesondere nach Patent ........ (Patentanmel­ dung P 39 12 280.8), dadurch gekennzeichnet, daß die Druckunterlage (10) nach Fertigstellung der Schichtanordnung (11-14) wieder ent­ fernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtanordnung (11-14) in einem Preßwerkzeug (20-22) mit einer Kunststoffpreßmasse (15) verpreßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Schichtanordnung (11-14) versehene Oberfläche (1) der Druckun­ terlage (10) glattpoliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pres­ sung bei erhöhter Temperatur erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der bei der Pressung erzeugte Preßling, (Fig. 4), bei erhöhter Temperatur ausgehärtet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die der Schichtanordnung (11-14) zugewandte Ober­ fläche (1) der Druckunterlage (10) vor Aufbringung der Schichtanord­ nung (12-14) mit einem Trennmittel (11) benetzt wurde.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Schichtanordnung (12-14) Pasten verwendet werden, denen ein Trennmittel beigemischt wurde.

8. Nach dem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen herge­ stellter Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindliche Widerstandsschicht und/oder die Leitplastik-Schicht aus dem gleichen Grundmaterial besteht wie die Kunststoffpreßmasse.