DE4226224A1 - Auf die Einwirkung einer Kraft ansprechender Sensor - Google Patents

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 ver­ formt, wobei im Verformungsbereich zwischen dem Trägerelement und dem Kraftaufnahmeelement ein auf die Verformung mit einer Änderung eines physikalischen Parameters reagierendes Meß­ glied angebracht ist, und wobei der Grundkörper eine Ab­ deckung aufweist, die sich berührungsfrei über das Kraftauf­ nahmeelement und das wenigstens eine Trägerelement erstreckt.

Ein Sensor dieser Art ist aus US-PS 5,103,667 bekannt. Dieser bekannte Sensor ist so ausgebildet, daß er einer Testprozedur unterzogen werden kann, bei der mit Hilfe elektrostatischer Kräfte eine Auslenkung des Kraftaufnahmeelements herbeigeführt werden kann, die elektrische Ausgangssignale der Meßglieder hervorruft. Durch die Anwendung dieser Testprozedur kann festgestellt werden, ob der Sensor einwandfrei arbeitet, d. h. ob er bei Einwirkung einer bestimmten Kraft auf das Kraftauf­ nahmeelement ein bestimmtes Ausgangssignal an den Meßgliedern hervorruft. Damit diese Testprozedur ermöglicht wird, wird auf der zum Grundkörper gewandten Fläche der Abdeckung eine Elektrode angebracht, so daß zwischen diese Elektrode und das Kraftaufnahmeelement eine Potentialdifferenz angelegt werden kann, die zu elektrostatischen Kräften führt, die auf das Kraftaufnahmeelement einwirken. Die Kombination aus der Elek­ trode an der Abdeckung und dem Kraftaufnahmeelement bildet dabei einen Kondensator.

Das Testen mit Hilfe elektrostatischer Kräfte hat zwei Nach­ teile. Zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit muß ein sehr geringer Abstand zwischen der Elektrode an der Abdeckung und dem Kraftaufnahmeelement eingehalten werden, und überdies ist eine möglichst große Elektrodenfläche erforderlich. Diese zwei Parameter haben nachteilige Auswirkungen auf den Dämp­ fungsfaktor des Kraftaufnahmeelements. Eine Teststruktur, die von einem Kondensator mit zwei Belägen Gebrauch macht, ermöglicht nur eine Auslenkung des Kraftaufnahmeelements in eine Richtung. Ein bidirektionales Testen ist damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß er bei hoher Empfindlichkeit möglichst umfassend getestet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf dem Kraftaufnahmeelement wenigstens eine Leiterbahn an­ gebracht ist, daß an der dem Grundkörper zugewandten Fläche der Abdeckung ebenfalls wenigstens eine Leiterbahn so ange­ bracht ist, daß sie deckungsgleich zu der wenigstens einen Leiterbahn auf dem Kraftaufnahmeelement verläuft, und daß die Leiterbahnen mit Anschlußkontakten zum Zuführen eines Test­ stroms versehen sind.

Im erfindungsgemäßen Sensor wird die zum Testen auf das Kraftaufnahmeelement zur Einwirkung gebrachte Kraft mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte erzeugt. Dabei kann ein größerer Abstand zwischen der Innenfläche der Abdeckung und dem Kraft­ aufnahmeelement eingehalten werden, so daß keine nachteilige Dämpfung hervorgerufen wird. Durch Ändern der Richtung der die elektromagnetischen Kräfte hervorrufenden Ströme kann die Richtung beeinflußt werden, in der das Kraftaufnahmeelement ausgelenkt wird. Somit wird eine Überprüfung der Funktions­ fähigkeit des Sensors bei Auslenkungen des Kraftaufnahmeele­ ments in beiden Richtungen ermöglicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Grundkörper und das Kraftauf­ nahmeelement des erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 2 eine Ansicht der auf den Grundkörper aufbringbaren Ab­ deckung von der zum Grundkörper gewandten Seite her,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3/Fig. 1 und

Fig. 4 einen perspektivisch erweiterten Schnitt längs der Linie 4-4/Fig. 1.

Fig. 1 zeigt den Grundkörper 10 des zu beschreibenden Sensors in einer quadratischen Form. Im Mittelbereich des Grundkör­ pers 10 befindet sich ein Kraftaufnahmeelement 12, das über Trägerelemente 14.1 bis 14.8 mit dem Grundkörper 10 verbunden ist.

Wie aus der Schnittansicht von Fig. 3 hervorgeht, hat das Kraftaufnahmeelement 12 eine relativ große Dicke, und die Trägerelemente 14.1 bis 14.8 sind dünne Verbindungsstege zwi­ schen dem Kraftaufnahmeelement 12 und dem Grundkörper 10. Das Kraftaufnahmeelement 12 kann sich unter Einwirkung einer Kraft, die senkrecht zu seiner Flächenausdehnung wirkt, in der Ansicht von Fig. 3 nach oben und nach unten verschieben. Die Trägerelemente 14.1 bis 14.8 verformen sich dabei und be­ grenzen die höchstzulässige Auslenkung. Auf den Trägerelemen­ ten 14.1, 14.2, 14.3 und 14.4 sind Meßglieder 16, 18, 20 und 22 angebracht, die sich mit einer Verformung der Trägerele­ mente 14.1 bis 14.4 ebenfalls verformen und dabei mit einer Änderung eines ihrer physikalischen Parameter reagieren. Bei diesen Meßgliedern 16 bis 22 kann es sich um Piezo-Wider­ standselemente handeln, deren elektrischer Widerstand sich unter dem Einfluß einer mechanischen Verformung ändert. Wenn die Meßglieder 16 bis 22 beispielsweise über zugehörige Anschlußkontakte 17, 19, 21 und 23 in einer Brücken­ schaltung miteinander verbunden werden, in der durch die ein­ zelnen Meßglieder ein elektrischer Strom fließt, dann kann ein elektrisches Signal erhalten werden, das eine Aussage darüber ermöglicht, ob und wie weit sich die Trägerelemente 14.1 bis 14.4 unter der Einwirkung einer auf das Kraftaufnah­ meelement 12 einwirkenden Kraft verformt haben. Wegen seiner in Fig. 3 erkennbaren Dicke hat das Kraftaufnahmeelement 12 eine definierte Masse, die auf eine Beschleunigung anspricht. Der hier zu beschreibende Sensor ist also ein Beschleuni­ gungssensor, und das mit Hilfe der Meßglieder 16 bis 22 er­ zeugbare elektrische Signal ermöglicht eine Aussage über die Beschleunigung, die das mit dem Grundkörper 10 verbundene Kraftaufnahmeelement 12 erfahren hat.

Aus der Schnittansicht von Fig. 3 geht hervor, daß das Kraft­ aufnahmeelement 12 einstückig mit dem Grundkörper 10 verbunden ist. Der Grundkörper 10, das Kraftaufnahmeelement 12 und die Trägerelemente 14.1 bis 14.8 bestehen aus monokristallinem Silizium. Bei der Herstellung des Sensors wird von einem Blättchen aus monokristallinem Silizium ausgegangen, in das gemäß dem Schnitt von Fig. 3 Nuten 24 und 26 geätzt werden. Die Nuten 24, 26 werden dabei so tief geätzt, daß die Dicke des verbleibenden Materials zwischen dem Kraftaufnahmeelement 12 und dem Grundkörper 10 der Dicke der Trägerelemente ent­ spricht. Im Anschluß an das Ätzen der Nuten 24, 26, werden im Bereich zwischen dem Kraftaufnahmeelement 12 und dem Grund­ körper 10 die in Fig. 1 ersichtlichen Öffnungen 28 bis 42 ebenfalls durch Ätzen erzeugt. Am Ende dieses Ätzschritts ist das Kraftaufnahmeelement 12 nur noch über die Trägerelemente 14.1 bis 14.8 mit dem Grundkörper 10 verbunden.

Auf der in Fig. 1 erkennbaren Fläche des Kraftaufnahmeele­ ments sind zwei Leiterbahnen 44, 46 gebildet, deren Enden mit auf dem Grundkörper 10 liegenden Anschlußkontakten 48, 50 bzw. 52, 54 verbunden sind. Zum Herstellen der Verbindungen mit den Anschlußkontakten sind die Leiterbahnen jeweils über die nicht mit Meßgliedern versehenen Trägerelemente 14.5, 14.6 bzw. 14.7, 14.8 geführt. Zur Vervollständigung des Sen­ sors ist auf der in Fig. 1 ersichtlichen Oberseite des Grund­ körpers 10 eine Abdeckung 56 angebracht, die in Fig. 2 in einer Ansicht von der Seite des Grundkörpers 10 her und in Fig. 3 im Schnitt dargestellt ist. Diese Abdeckung 56 besteht ebenfalls aus monokristallinem Silizium. Sie enthält in ihrer zum Grundkörper 10 gewandten Fläche eine Ausnehmung 58. In dieser Ausnehmung sind zwei Leiterbahnen 60 und 62 ange­ bracht, deren Enden jeweils mit Anschlußkontakten 64, 66 bzw. 68, 70 verbunden sind. Die Leiterbahnen 60 und 62 haben dabei im Bereich des Kraftaufnahmeelements 12 einen solchen Ver­ lauf, daß sie deckungsgleich mit den Leiterbahnen 44, 46 auf dem Kraftaufnahmeelement 12 sind. Wenn die Abdeckung 56 auf dem Grundkörper 10 angebracht ist, liegen daher die Leiter­ bahnen am Kraftaufnahmeelement 12 einerseits und an der Ab­ deckung 56 andererseits in genauer Zuordnung zueinander, wie die Schnittansicht von Fig. 3 deutlich erkennen läßt.

Die Schnittansicht von Fig. 3 zeigt auch, daß der Grundkörper 10 auf einem Träger 72 angebracht ist, der die Aufgabe hat, eine Abdichtung der eigentlichen Meßanordnung gegen Umwelt­ einflüsse zu schaffen und gleichzeitig durch Bilden eines hermetisch abgedichteten Raums für eine Dämpfung der Bewegung des Kraftaufnahmeelements 12 zu sorgen.

Wenn der beschriebene Sensor einer Beschleunigung ausgesetzt wird, bewirkt das Kraftaufnahmeelement 12 aufgrund seiner Masse eine Verformung der Trägerelemente 14.1 bis 14.8. Diese Verformung kann mittels einer elektrischen Schaltung, die an die Meßglieder 16 bis 22 angeschlossen ist, festgestellt und zur Erzeugung eines die Beschleunigung repräsentierenden Sig­ nals ausgewertet werden. Das elektrische Signal repräsentiert aber nur dann genau den aufgetretenen Beschleunigungswert, wenn der Sensor einwandfrei arbeitet. Ein einwandfreies Ar­ beiten liegt aber nur dann vor, wenn die Meßglieder in repro­ duzierbarer Weise bei einer bestimmten, durch eine Beschleu­ nigung hervorgerufenen Verformung der Trägerelemente stets die gleiche Änderung eines ihrer elektrischen Parameter, im be­ stimmten Beispiel ihres elektrischen Widerstandes erfahren. Durch Alterung oder auch durch Beschädigung kann sich jedoch die Kennlinie der Meßglieder ändern, so daß dann das von der mit dem Sensor verbundenen elektronischen Schaltung erzeugte elektrische Signal keine genaue Aussage darüber mehr zuläßt, welcher Beschleunigungswert tatsächlich aufgetreten ist. Wenn also eine Beschleunigung mit großer Genauigkeit gemessen wer­ den soll, muß der Sensor von Zeit zu Zeit oder auch vor jeder Messung einer Prüfung unterzogen werden. Diese Prüfung wird dadurch erreicht, daß durch die Leiterbahnen auf dem Kraft­ aufnahmeelement 12 und die Leiterbahnen an der Abdeckung ein Strom geschickt wird. Abhängig von der Richtung des durch die Leiterbahnen auf dem Kraftaufnahmeelement 12 einerseits und an der Abdeckung 56 andererseits fließenden Stroms werden die die Leiterbahnen tragenden Teile angezogen oder abgestoßen. In jedem Fall wird aber eine Kraft auf das Kraftaufnahmeele­ ment 12 ausgeübt, die zu einer Verformung der Trägerelemente 14.1 bis 14.8 führt. Diese Verformung bewirkt wie bei der Einwirkung einer Beschleunigung die Erzeugung eines elektri­ schen Ausgangssignals in der mit dem Sensor verbundenen elek­ tronischen Schaltung. Wenn bei jedem Testvorgang der gleiche Strom durch die Leiterbahnen geschickt wird, muß bei voller Funktionsfähigkeit des Sensors stets das gleich elektrische Signal durch die elektronische Schaltung erzeugt werden. Sind beispielsweise alterungsbedingte Änderungen der Meßglieder aufgetreten, dann äußert sich dies in einer entsprechenden Änderung des erzeugten elektrischen Signals. Solange die Si­ gnaländerung in einer gewissen vorgegebenen Schwankungsbreite bleibt, kann sie zu einer Korrektur des bei der Beschleuni­ gungsmessung erzeugten elektrischen Signals verwendet werden. Überschreitet die Änderung jedoch den Toleranzbereich, dann kann der Sensor als fehlerhaft erkannt und durch einen ein­ wandfrei arbeitenden Sensor ersetzt werden.

Das Prüfen der Funktionsfähigkeit des Sensors durch elektro­ magnetische Kräfte ermöglicht die Durchführung der Prüfung in beiden Bewegungsrichtungen des Kraftaufnahmeelements 12. Die Leiterbahnen erfordern nur eine geringe Fläche zu ihrer An­ bringung, so daß das Kraftaufnahmeelement wegen der Anbrin­ gung der Leiterbahnen nicht unnötig groß ausgeführt werden muß. Dies wirkt sich günstig auf das Dämpfungsverhalten des Sensors aus.

Claims (3)

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 zwi­ schen dem Trägerelement und dem Kraftaufnahmeelement ein auf die Verformung mit einer Änderung eines physikalischen Para­ meters reagierendes Meßglied angebracht ist, und wobei der Grundkörper eine Abdeckung aufweist, die sich berührungsfrei über das Kraftaufnahmeelement und das wenigstens eine Träger­ element erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kraft­ aufnahmeelement (12) wenigstens eine Leiterbahn (44, 46) an­ gebracht ist, daß an der dem Grundkörper (10) zugewandten Fläche der Abdeckung (56) ebenfalls wenigstens eine Leiter­ bahn so angebracht ist, daß sie deckungsgleich zu der wenig­ stens einen Leiterbahn (44, 46) auf dem Kraftaufnahmeelement (12) verläuft, und daß die Leiterbahnen mit Anschlußkontakten zum Zuführen eines Teststroms versehen sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftaufnahmeelement (12) etwa quadratisch ausgebildet ist und an jeder Seitenkante über zwei Trägerelemente (14.1, 14.2, 14.3, 14.4, 14.5, 14.6, 14.7, 14.8) mit dem das Kraft­ aufnahmeelement (12) umgebenden Grundkörper (10) verbunden ist, wobei auf den an zwei gegenüberliegenden Seitenkanten angebrachten Trägerelementen (14.1, 14.2, 14.3, 14.4) jeweils ein Meßglied (16, 18, 20, 22) angebracht ist, daß die wenig­ stens eine Leiterbahn (44, 46) auf dem Kraftaufnahmeelement mit Anschlußkontakten auf dem Grundkörper über die nicht mit Meßgliedern (16, 18, 20, 22) versehenen Trägerelemente (14.5, 14.6, 14.7, 14.8) zu Anschlußkontakten (48, 50, 52, 54) auf dem Grundkörper führt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kraftaufnahmeelement (12) zwei elektrisch voneinan­ der getrennte Leiterbahnen (44, 46) angebracht sind, die je­ weils mit zwei Anschlußkontakten (52, 54; 48, 50) auf dem Grundkörper (10) verbunden sind, und daß auf der dem Grundkör­ per (10) zugewandten Fläche der Abdeckung (56) zwei Leiter­ bahnen (62) angebracht sind, von denen jeweils eine den Lei­ terbahnen (44, 46) auf dem Kraftaufnahmeelement (12) deckungs­ gleich zugeordnet ist.