DE4111148A1 - Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Bestimmung eines Drucks oder einer Kraft nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 38 18 191 ist ein Sensor bekannt, bei dem ein Dickschichtwi­ derstand auf einen Träger aufgebracht ist und der mit einem Kraft­ einleitungsteil in Wirkverbindung steht. Die Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes dieses Dickschichtwiderstandes begrenzt die Einsatzgebiete eines derartigen Sensors. Er kann entweder nur für dynamische Messungen eingesetzt werden, das heißt der absolute Druck oder die absolute Kraft sind nicht zu bestimmen oder deren Be­ stimmung erfodert einen Nullabgleich vor jedem Meßvorgang.

Weiterhin sind piezoresistive Drucksensoren bekannt, bei denen eine elastisch verformbare Membran mit piezoresistiven Widerständen nach dem Prinzip der Dehnmeßstreifen zusammenwirkt. Derartige Membranen sind aufwendig herzustellen und haben oftmals nur eine sehr geringe Lebensdauer (DE-OS 39 19 059, DE-OS 39 28 542).

Aus der DE-OS 31 25 640 ist ein Sensor bekannt, bei dem piezoresi­ stive Meßelemente auf einem Träger angebracht sind und möglichst na­ he am Druckraum angeordnet werden. Durch eine Brückenschaltung von geeigneten Widerständen soll eine Temperaturkompensation erreicht werden. Dazu wird nur ein Teil der Elemente der Brücke dem Druck ausgesetzt und der andere Teil druckabgeschirmt. Das soll durch ei­ nen Ring oder eine Abdeckplatte geschehen, mit denen der druckdicht abzuschirmende Teil der Brücke versehen ist. Eine derartige Anord­ nung ist sehr aufwendig. Wird darüber hinaus ein derartiger Sensor zum Beispiel als Brennraumdrucksensor in einem Kraftfahrzeug einge­ setzt, sind die Meßelemente, das heißt die Widerstände, da sie nahe­ zu direkt dem Druck ausgesetzt sind, auch den dort herrschenden Tem­ peraturen von ca. 2000°C ausgesetzt. Dadurch können sich Verspan­ nungen im Gehäuse des Sensors ergeben, die zu einer Verfälschung des Drucksignals führen können. Darüber hinaus ist die Lebensdauer bei diesen hohen Temperaturen sehr kurz.

Ferner wird in der US-PS 46 45 965 ein Drucksensor beschrieben, des­ sen Meßelement aus piezoelektrischem Material besteht. Als piezo­ elektrische Elemente können zum Beispiel piezokeramische Bauteile verwendet werden, die durch eine aufwendige Verschweißung von Dräh­ ten mit Kontaktscheiben kontaktiert werden. Bei piezoelektrischen Elementen wird im Unterschied zu piezoresistiven Elementen bei Druckeinwirkung zur Meßsignalerzeugung eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird abgegriffen und ausgewertet. Im Unterschied hierzu wird bei piezoresistiven Elementen eine Span­ nung angelegt, und der elektrische Widerstand im piezoresistiven Element wird durch den einwirkenden Druck verändert. Die elektroni­ sche Aufbereitung des Meßsignales ist bei rein ohmschen Sensoren einfacher.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine gleichmäßige, homogene und orthogonale Belastung über dem Meßwiderstand während der Messung möglich ist. Das führt zu einer hysteresearmen und be­ reits im Anfangsbereich linearen Kennlinie. Die Kontaktierungsstel­ len der Ableitdrähte und die Ergänzungswiderstände liegen außerhalb des eigentlichen Meßbereichs und können somit die Wirkung des Meßwi­ derstandes nicht störend beeinflussen.

Der Sensor baut klein und kompakt und zeichnet sich insbesondere durch eine sehr geringe thermische Drift aus, das heißt die Umge­ bungstemperatur und insbesondere Temperaturschwankungen beeinflussen das Meßsignal nicht oder nur unerheblich. Darüber hinaus kann dieser Sensor einfach und kostengünstig erstellt werden, da für die Meßele­ mente Widerstände in Schichttechnik, das heißt Dünnschicht- oder Dickschichttechnik, genutzt werden.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in ver­ einfachter Darstellung in Fig. 1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Drucksensors, in Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Drucksensor. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein zwei­ tes Ausführungsbeispiels des Drucksensors, Fig. 4 eine Seitenan­ sicht eines dritten Ausführungsbeispiels und Fig. 5 eine Draufsicht auf dieses Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 ist mit 10 ein Sensor bezeichnet, bei dem zwei Widerstände 11, 12 in Dünn- oder Dickschichttechnik und ent­ sprechende Leiterbahnen 13 auf einer Stirnseite eines als Träger 14 dienenden, zylinderförmigen Substrats angebracht sind. Der Träger 14 kann zum Beispiel aus Keramik, Polymerwerkstoff oder Stahl bestehen. Bei der Verwendung von Stahl oder anderen elektrisch leitenden Ma­ terialien ist zwischen den Widerständen 11, 12 und den Leiterbah­ nen 13 einerseits und dem Träger 14 andererseits eine - hier nicht dargestellte - Isolationsschicht angeordnet, die beispielsweise aus Dickschichtglas, Dünnschicht- oder Polymerschichtwerkstoff, Polymerfolie oder Klebstoff besteht.

Die Mantelfläche des Trägers 14 ist an zwei sich gegenüberliegen­ den Abschnitten 15, 16 abgeflacht. Am Abschnitt 15 ist eine metalli­ sche Zone 17 angebracht, die mit einem Abschnitt der Leiterbahnen 13 überlappt. Am Abschnitt 16 sind zwei weitere metallische Zonen 18, 19 angeordnet, die ebenfalls mit den Leiterbahnen 13 verbunden sind. An diese Zonen 17 bis 19 sind elektrische Anschlußdrähte 20 ange­ schlossen. Die Leiterbahnen 13 sind so ausgebildet, daß die Wider­ stände 11, 12 und die Anschlußdrähte 20 in Form einer Halbbrücke miteinander verschaltet sind, wobei der Widerstand 11 als veränder­ barer Widerstand (piezoresistives Meßelement) dient.

Die beiden Widerstände 11, 12 sind so angeordnet, daß sie sich nah beieinander befinden und der Widerstand 11 etwa mittig auf der Stirnfläche des Trägers 14 angeordnet ist und dort mit einem zylindrischen Krafteinleitungsteil 21 zusammenwirkt. Durch dieses Krafteinleitungsteil 21 wird eine Kraft orthogonal in den Widerstand 11 bzw. den Träger 14 eingeleitet. Der Durchmesser des Kraftein­ leitungsteils 21 ist so gewählt, daß nahezu der gesamte nicht von Leiterbahnen 13 abgedeckte Bereich 22 des Widerstandes 11 überdeckt ist, der Widerstand 12 jedoch nicht überdeckt wird. Das Krafteinlei­ tungsteil 21 kann aus den gleichen Werkstoffen hergestellt sein wie der Träger 14, wobei bei der Verwendung von leitenden Materialien ebenfalls eine entsprechende Isolationsschicht aufgebracht ist. Sind die Widerstände 11 und 12 mit einer Glasabdeckung versehen, kann auf die Isolationsschicht am Krafteinleitungsteil 21 verzichtet werden.

Krafteinleitungsteil 21, Widerstand 11 und der Träger 14 sind fest miteinander verbunden, zum Beispiel durch Klebung mit Glas oder Polymerwerkstoff oder bei Verwendung von Dickschichtwiderständen durch diesen selbst. Dazu wird das Krafteinleitungsteil 21 beim Herstellen des Sensors auf die noch weiche Paste des Widerstands 11 aufgesetzt und leicht angedrückt. Bei elektrisch leitendem Kraftein­ leitungsteil 21 und/oder Träger 14 kann auch die zuvor beschriebene Isolationsschicht zur festen Verbindung des Krafteinleitungsteils 21 mit dem Widerstand 11 bzw. dem Träger genutzt werden.

Durch die zuvor beschriebene Widerstandsanordnung in Form einer Halbbrücke und orthogonal belastetem Widerstand (Meßelement) wird sowohl eine gleichmäßige Kraftverteilung erreicht als auch durch die Anordnung des zweiten, unbelasteten Widerstandes in unmittelbarer Nähe des Meßelementes eine Temperaturkompensation erreicht. Durch die orthogonale Belastung des Meßelementes wird bei Krafteinwirkung der spezifische Widerstand des piezoresistiven Widerstands verändert und somit ein Meßsignal erzeugt.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen durch die Anbindung der Ableitdrähte. Der Sensor 10A hat einen ebenfalls aus einem zylindrischen Substrat bestehenden Träger 14A, der statt der flachen Abschnitte drei Ein­ schnitte 23 am Außenumfang aufweist. Diese Einschnitte 23 reichen bis in den Bereich der Leiterbahnen 13A und sind beispielsweise mittels eines Lasers aus dem Substrat des Trägers 14A geschnitten. In den Einschnitten 23 sind die Ableitdrähte 20A geführt, die von unten durch die Leiterbahnen 13A ragen und auf deren Oberseiten mit diesen verlötet sind. Dadurch wird sowohl die Fertigung des Trä­ gers 14A und der Leiterbahnen 13A als auch die Anbindung der Ableit­ drähte 20A vereinfacht. Weiterhin wird dadurch auch die Kontakt­ stelle bzw. die Anbindung der Ableitdrähte 20A an die Leiterbahnen 13A beim Einbau des Sensors beispielsweise in ein Gehäuse vor Beschädigung geschützt. Damit wird auch die Formgebung eines solchen Gehäuses vereinfacht.

Alternativ zu der Führung der Anschlußdrähte in den Einschnitten können diese auch in Bohrungen am Rand des Trägers verlaufen.

Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Sensor 10B unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen durch die Form des Trägers, die Schaltung der Widerstände und die Anbindung der Ableitdrähte.

Der Träger 14B ist quaderförmig ausgebildet; auf einer etwa quadra­ tischen Stirnseite trägt er eine Dick- oder Dünnschichtschaltung, bei der vier Widerstände 25 bis 28 und entsprechende Leiterbahnen 13B in Form einer Vollbrücke angeordnet sind. Die beiden variablen Widerstände 25, 26 (piezoresistive Meßelemente) haben eine etwa rechtwinklige Form und sind relativ nah zueinander etwa in der Mitte der Stirnfläche des Trägers 14B angeordnet. Mit den Leiterbahnen 13B sind vier elektrische Anschlußdrähte 20B verbunden, so daß - in an sich bekannter Weise - an eine Brückendiagonale eine Brückenspan­ nung angelegt wird und an der anderen Brückendiagonalen die Meßspan­ nung abgenommen wird. Die Leiterbahnen 13B sind so ausgebildet, daß sich die Kontaktierungsstellen mit den Ableitdrähten 20B jeweils etwa im Bereich einer Ecke der Stirnfläche befinden.

Das Krafteinleitungsteil 21B ist etwa zylinderförmig ausgebildet und wirkt mit den beiden Widerständen 25, 26 zusammen, das heißt diese werden nahezu vollstandig vom Krafteinleitungsteil 21B überdeckt. Dieses kann dazu auch eine etwa rechteckige Stirnfläche aufweisen. Analog zum Ausführungsbeispiel zuvor sind auch hier die beiden Widerstände 27, 28 unbelastet und dienen zur Temperaturkompensation.

Durch die direkte, orthogonale Belastung der Meßelemente wird ein sehr kleinbauender, kompakter Sensor ermöglicht. Eine Membran zur Einleitung einer Dehnung in die Widerstände ist nicht notwendig, da das Meßsignal erzeugt wird, indem die piezoresistiven Widerstände (Meßelemente) orthogonal belastet werden und ihren spezifischen Widerstand bei Krafteinwirkung ändern. Dadurch wird ein axial sehr steifer Sensor ausgebildet, der aufgrund der Temperaturkompensation durch die Schaltung der Widerstände in Halb- oder Vollbrücke nur eine geringe thermische Drift aufweist, und sich somit auch für statische Messungen eignet. Die Vollbrückenschaltung kann auf qua­ dratischen oder rechteckigen Stirnflächen eines Trägers aufgebracht werden und damit in Mehrfachnutzen gedruckt und bestückt werden. Bei ausreichend großen Abmessungen kann damit auch eine Kontaktierung der Anschlußdrähte durch Bonden oder Löten an der Stirnseite er­ folgen. Bei geringen Abmessungen kann die Kontaktierung der An­ schlußdrähte auch an den abgeflachten Bereichen eines zylinderförmi­ gen Trägers vorgenommen werden. Die Kontaktierung kann auch analog zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ausgeführt werden. Dadurch ent­ fällt ein Abwinkeln der Ableitdrähte, wie in Fig. 4 dargestellt. Darüber hinaus kann der Sensor bzw. der Träger dann in großflächigen Vielfachnutzen bedruckt und bestückt werden. Dazu ist es vorteil­ haft, Bohrungen für die Ableitdrähte so anzubringen, daß sie auf dem Trennschritt der einzelnen Substrate liegen, so daß jedem Substrat bzw. Träger nach dem Trennen Bohrungsabschnitte mit etwa halbkreis­ förmigem Querschnitt zugeordnet sind.

Claims (7)

1. Sensor (10; 10A; 10B) zur Bestimmung eines Drucks oder einer Kraft mit Hilfe mindestens eines auf einem Träger (14; 14A; 14B) aufgebrachten Schichtwiderstandes (11; 25, 26), der mit einem Kraft­ einleitungsteil (21; 21A; 21B) in Wirkverbindung steht, und mit Lei­ terbahnen (13; 13A; 13B), die den Widerstand (11; 25, 26) mit Ablei­ tungen (20; 20A; 20B) verbinden, wobei Krafteinleitungsteil und Trä­ ger gegenüber dem Widerstand und den Leiterbahnen elektrisch iso­ liert sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger mindestens ein zusätzlicher Schichtwiderstand (12; 27, 28) angeordnet ist, der in unmittelbarer Nähe des mit dem Krafteinleitungsteil (21; 21A; 21B) zusammenwirkenden Widerstandes (11; 25, 26) und außerhalb des Kraftflusses zwischen diesem Krafteinleitungsteil und dem mit diesem zusammenwirkenden Widerstand angeordnet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht­ widerstände (11, 12, 25-28) und die Leiterbahnen (13; 13A; 13B) in Dünnschichttechnik erstellt sind.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtwiderstände (11, 12, 25-28) und die Leiterbahnen (13; 13A; 13B) in Dickschichttechnik erstellt sind.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Krafteinleitungsteil (21; 21A; 21B) zusammenwirkende Widerstand und der zusätzliche Widerstand durch die Leiterbahnen in Form einer Halbbrücke verschaltet sind.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Krafteinleitungsteil (21B) zwei Widerstände zusammen­ wirken, die mit zwei zusätzlichen Widerständen (27, 28) eine Voll­ brücke bilden.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungen (20A, 20B) mit den Leiterbahnen (13A; 13B) im Bereich der Stirnfläche des Trägers (14A; 14B) verbunden sind, wobei sich diese Kontaktierungsstellen außerhalb des Bereiches des Kraft­ einleitungsteils befinden.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitungen (20) im Bereich der Mantelfläche des Trägers (14) über leitende Zonen (17-19) mit den Leiterbahnen (13) verbun­ den sind.