DE4300995A1

DE4300995A1 - Kraftsensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE4300995A1
Application number: DE4300995A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr Leiter; Nick Alford; Ruediger Eick
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2013-01-16
Also published as: WO1994016300A1; AU687030B2; BR9405809A; KR960700443A; EP0679248A1; TW286358B; AU5882094A; CZ180295A3; ZA94133B; DE4300995C2; CN1092165A; JPH08505471A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor. Kraftsensoren werden zur Messung von Kräften verwendet, wo bei eine Umwandlung der zu messenden Kraft in eine elektri sche Größe (Widerstandsänderung, Spannungsänderung, Kapazi tätsänderung oder dgl.) erfolgt. Zur besseren Auswertung und zur Temperaturkompensation wird dabei ein Kraftsensor, der seinen Widerstand oder seine Kapazität ändert, in eine Gleichspannungs- bzw. Wechselspannungsbrücke geschaltet.

Bei herkömmlichen Kraftsensoren (siehe Fig. 7 und 8) wird ein Widerstandselement 3′ auf ein Substrat 1′ aufgebracht und an zwei einander gegenüberliegenden Kanten über An schlußstreifen 5′ und 6′ kontaktiert. Wenn eine Kraft senkrecht zur Substratebene auf das flächige Widerstands element 3′ (in Richtung der Z-Achse) eingeleitet wird, verformt sich das Widerstandselement und verändert seinen Widerstand. Diese Änderung wird dann ausgewertet.

Allerdings hat diese Anordnung einen Nachteil. Die Last wechsel führen zu Materialermüdungen und ggf. zur Zerstö rung des Widerstandselementes bzw. des Substrates oder zu Unterbrechungen zwischen dem Widerstandselement und den An schlußstreifen.

Aus der DE-OS 38 18 189 und der DE-OS 38 18 191 sind Senso ren bekannt, bei denen auf einem Träger ein Dickschichtwi derstand aufgedruckt ist. Der Dickschichtwiderstand weist an zwei einander gegenüberliegenden Kanten jeweils An schlußkontakte auf, mit denen das Meßsignal zu Ableitungen geführt wird. Dabei liegt die Kontaktstelle zwischen den Anschlußkontakten und den Ableitungen außerhalb des direk ten Kraftflusses der zu messenden Kraft. Ein von oben auf das Widerstandselement aufgepreßter elektrisch nicht leiten der Krafteinleitungsteil dient dazu, den elektrischen Wi derstand des Widerstandselementes zu verändern, wenn eine Kraft auf den Kraftsensor von oben eingeleitet wird.

Bei diesen Anordnungen besteht das Problem, daß die Kraft manchmal nicht vollständig in das Widerstandselement einge leitet wird, sondern ein Nebenpfad für die zu messende Kraft gebildet wird, wenn z. B. das Krafteinleitungsteil an den seitlichen Anschlußkontakten aufliegt. Dadurch wird das Meßergebnis verfälscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den ein gangs beschriebenen Kraftsensoren geschilderten Probleme zu überwinden, und einen Kraftsensor bereitzustellen bzw. ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem eine ge naue Messung der eingeleiteten Kraft möglich ist.

Dazu weist der erfindungsgemäße Kraftsensor folgende Merk male auf: ein Substrat, eine erste elektrische Kontakt schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine elek trische Widerstandsschicht, die auf der ersten elektrischen Kontaktschicht angeordnet ist und diese vollständig über deckt, und eine zweite elektrische Kontaktschicht, die auf der elektrischen Widerstandsschicht angeordnet ist, wobei die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontakt schicht nicht größer sind als die der ersten elektrischen Kontaktschicht und die zweite elektrische Kontaktschicht über der ersten elektrischen Kontaktschicht ausgerichtet angeordnet ist.

Durch diese Anordnung ist es möglich, die Kraft direkt auf die freie Oberfläche der zweiten (oberen) elektrischen Kon taktschicht (in der Z-Achse) einzuleiten, wobei keine Kraftanteile seitlich an der Widerstandsschicht vorbei geleitet und somit nicht erfaßt werden.

Dies bedeutet, daß es keine wesentliche Rolle spielt, wo die Kraft eingeleitet wird, solange die Kraft auf die Flä che der zweiten (oberen) Kontaktschicht eingeleitet wird.

Als Widerstandselement für die Kraftmessung kann dabei ein Dickfilm-Widerstand verwendet werden, bei dem die Wider standsänderung aufgrund der Dickenänderung bzw. der Verfor mung des Widerstandselementes zwischen den beiden Kontakt schichten, die ebenfalls im Kraftpfad liegen, erfaßt wird.

Der so gestaltete Kraftsensor ist sehr kompakt und bildet mit dem Substrat eine homogene Einheit. Auf dem Substrat können noch andere elektronische Bauteile, wie z. B. die anderen Widerstände der Meßbrücke, Signalverstärker etc. in räumlicher Nähe zu dem Sensorwiderstand untergebracht wer den, was u. a. hinsichtlich der Temperaturempfindlichkeit und der Störsignalempfindlichkeit von Vorteil ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kraft in der Z-Achse in senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausüb bar, und das Substrat ist zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht sowie der Wi derstandsschicht auf einer durch die zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage angeordnet.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Kraft in senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausübbar, wobei auf der zweiten (oberen) Kontaktschicht ein plastisch verformbarer Körper, vorzugsweise eine Acetatfolie, angeordnet ist, der bei der Herstellung mit einer Kraft, die größer als die zu messenden Kräfte ist, auf die zweite (obere) Kontaktschicht gepreßt wird, so daß sich Unebenheiten der Oberfläche Kontaktschicht in dem deformierbaren Körper einprägen.

Dies hat den Vorteil, daß im Meßbetrieb des Kraftsensors die Unebenheiten in der zweiten Kontaktschicht bzw. in der Anlagefläche eines krafteinleitenden Stempels ausgeglichen werden und in senkrechter Richtung eine Krafteinleitung gewährleistet wird, die über die gesamte Oberfläche der oberen Kontaktschicht gleichmäßig verteilt erfolgt.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Kraft in senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausübbar, durch einen plastisch deformierbaren Körper ist eine Vorspannung in senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausübbar, die größer ist als die zu messende Kraft, und das Substrat ist zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontakt schicht sowie der Widerstandsschicht in der Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert.

Für einen einfachen Anschluß an die Meß- und Auswerteschal tung ist mit Vorteil an der ersten elektrischen Kontakt schicht ein radial nach außen führender erster Anschluß streifen angeformt, und an der zweiten elektrischen Kon taktschicht ist ein radial nach außen führender zweiter Anschlußstreifen angeformt, der den ersten Anschlußstreifen nicht berührt. Dabei können die beiden Anschlußstreifen ma terialeinheitlich und einstückig an den jeweiligen Kontakt schichten angeformt sein. Es ist jedoch auch denkbar, für die Anschlußstreifen andere Materialien als für die Kon taktschichten zu wählen.

Bevorzugt ist dabei der erste Anschlußstreifen auf dem Sub strat ausgebildet, und der zweite Anschlußstreifen ist ebenfalls auf dem Substrat ausgebildet und über einen abge winkelten Übergangsbereich mit der höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht verbunden. Damit wird der Hö henunterschied zwischen der zweiten elektrischen Kontakt schicht und dem zweiten Anschlußstreifen auf dem Substrat überwunden, ohne daß zusätzliche Isolierungen erforderlich sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste elek trische Kontaktschicht, die elektrische Widerstands schicht und die zweite elektrische Kontaktschicht kreis scheibenförmig gestaltet und konzentrisch übereinander auf dem Substrat angeordnet. Es sind jedoch auch andere geomet rische Formen (Quadrate, Rechtecke, Polygone, Ovale etc.) möglich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen das Substrat, die erste elektrische Kontaktschicht, die elektrische Widerstandsschicht und die zweite elektrische Kontaktschicht eine konzentrische Mittelausnehmung auf. Damit besteht die Möglichkeit, den Kraftsensor auf einen Führungsbolzen aufzuschieben und ggf. durch eine Mutter vorzuspannen.

Dabei kann die Mittelausnehmung abgestuft sein und im Be reich des Substrates einen kleineren Durchmesser aufweisen als im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht, die Mittelausnehmung im Bereich der ersten elektrischen Kon taktschicht gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung im Substrat soweit vergrößert sein, daß die elektrische Wi derstandsschicht über den inneren Rand der ersten elektri schen Kontaktschicht hinaus bis auf einen Vorsprung des Substrates reicht, und die Mittelausnehmung im Bereich der zweiten elektrischen Kontaktschicht im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen, wie im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht.

Wenn das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und die erste elektrische Kontaktschicht bil det, kann auf die separate Herstellung der ersten elektri schen Kontaktschicht verzichtet werden, was die Herstellung vereinfacht und die Dicke der Gesamtanordnung des Kraftsen sors verringert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Kraft sensors weist folgende Schritte auf: Bereitstellen eines Substrates, Aufbringen einer ersten elektrischen Kontakt schicht auf dem Substrat, Aufbringen einer elektrischen Widerstandsschicht auf der ersten elektrischen Kontakt schicht, die die erste elektrische Kontaktschicht voll ständig überdeckt, und Aufbringen einer zweiten elektri schen Kontaktschicht auf der elektrischen Widerstands schicht, wobei die Flächenabmessungen der zweiten elek trischen Kontaktschicht nicht größer sind als die der ersten elektrischen Kontaktschicht und die zweite elek trische Kontaktschicht über der ersten elektrischen Kon taktschicht ausgerichtet angeordnet wird.

Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird das Substrat zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht sowie der Widerstandsschicht auf einer durch die zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage angeordnet.

Bei einem anderen Herstellungsverfahren wird das Substrat zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektri schen Kontaktschicht sowie der Widerstandsschicht in der Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein plastisch deformierbarer Körper auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht angeordnet und dann eine Kraft auf den plastisch deformierbaren Körper in senkrechter Richtung ausgeübt, die größer ist als die größte zu messende Kraft und ausreicht, um eine bleibende plastische Verformung der Oberfläche des Körpers zu erreichen, die auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontakt schicht angeordnet ist.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens besteht im Anformen eines radial nach außen führenden ersten Anschluß streifens an der ersten elektrischen Kontaktschicht, und im Anformen eines radial nach außen führenden zweiten An schlußstreifens an der zweiten elektrischen Kontaktschicht, der den ersten Anschlußstreifen nicht berührt.

Dabei kann das Ausbilden des ersten Anschlußstreifens und des zweiten Anschlußstreifens auf dem Substrat erfolgen, wobei das Verbinden des zweiten Anschlußstreifens mit der höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht über einen abgewinkelten Übergangsbereich erfolgt.

Vorzugsweise erfolgt die Herstellung durch kreisscheiben förmiges Gestalten und konzentrisches Übereinanderanordnen der ersten elektrischen Kontaktschicht der elektrischen Widerstandsschicht und der zweiten elektrischen Kontakt schicht auf dem Substrat.

Eine Weiterbildung des Herstellungsverfahrens besteht im Ausbilden einer Mittelausnehmung in dem Substrat, der er sten elektrischen Kontaktschicht, der elektrischen Wider standsschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht.

Dabei kann die Weiterbildung durch Abstufen der Mittel ausnehmung in einer Weise erfolgen, daß die Mittelaus nehmung im Bereich des Substrates einen kleineren Durch messer aufweist als im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht, die Mittelausnehmung im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung im Substrat soweit vergrößert ist, daß die elektrische Widerstandsschicht über den inneren Rand der ersten elektrischen Kontaktschicht hinaus bis auf einen Vorsprung des Substrates reicht, und die Mittelausnehmung im Bereich der zweiten elektrischen Kontaktschicht im we sentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, wie im Be reich der ersten elektrischen Kontaktschicht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Herstel lungsverfahrens erfolgt der Schritt des Aufbringens der er sten elektrischen Kontaktschicht auf dem Substrat durch Auftragen und Einbrennen einer ersten Dickschicht-Leiter paste auf dem Substrat zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht.

Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des Herstel lungsverfahrens erfolgt der Schritt des Aufbringens der elektrischen Widerstandsschicht auf der ersten elektrischen Kontaktschicht durch Auftragen und Einbrennen einer Dick schicht-Widerstandspaste auf der ersten elektrischen Kon taktschicht zur Bildung der elektrischen Widerstands schicht.

Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des Herstel lungsverfahrens erfolgt der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen Kontaktschicht auf der Widerstands schicht durch Auftragen und Einbrennen einer zweiten Dick schicht-Leiterpaste auf der Widerstandsschicht zur Bildung der zweiten elektrischen Kontaktschicht.

Bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren wird die zweite Dickschicht-Leiterpaste bei einer niedrigeren Einbrenntem peratur als die Dickschicht-Widerstandspaste eingebrannt und die erste Dickschicht-Leiterpaste bei der gleichen Einbrenntemperatur wie die Dickschicht-Widerstandspaste eingebrannt.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß die erste Dickschicht-Leiterpaste, die Dickschicht-Widerstands paste und die zweite Dickschicht-Leiterpaste bei unter schiedlichen Einbrenntemperaturen eingebrannt werden.

Ein großes Problem bei der Herstellung mehrlagiger Dick schichtstrukturen stellt die Diffusion von elektrisch lei tenden Partikeln oder Widerstandspartikeln aus einer Schicht in die daran angrenzende Schicht dar. Die Diffusion wird dabei durch die mehrfache Erwärmung der Gesamtstruktur bzw. ihrer Zwischenstufen im Laufe des Schichtenaufbaus hervorgerufen, wenn Pastensysteme verwendet werden, die die gleiche Einbrenntemperatur und gleiche oder relativ nahe beieinander liegende Schmelzpunkte haben. In diesem Fall durchdringen sich aneinander angrenzende Schichten zu einem gewissen Grad und verfälschen so ihre beiderseitigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Außerdem können Kurzschlüsse zwischen zwei Kontakten auftreten. Dies stellt bei üblichen Dickschichtstrukturen kein allzugroßes Problem dar, wenn die einzelnen Strukturen Abmessungen von 1000 µm haben, bzw. wenn die Abstände zwischen zwei Kontakten 1000 µm und mehr betragen.

Die aus der Herstellung von Dickschichtkondensatoren be kannte Verwendung von dielektrischen Schichten oder die Verwendung von Isolierschichten aus Glasfritten scheidet bei der Herstellung des Kraftsensors aus, da derartige Schichten nicht hinreichend belastbar sind und außerdem die Messung verfälschen können.

Bei der vorliegenden Erfindung haben die Kontakte jedoch lediglich einen Abstand von weniger als 100 µm (etwa 30 µm bis 80 µm), so daß die Gefahr von Kurzschlüssen oder von Kriechstrecken bei der Verwendung herkömmlicher Technik relativ groß ist. Außerdem besteht beim Einbrennen das Pro blem, daß die organischen Lösungsmittelbestandteile der Pa sten beim Ausgasen verkohlen und leitfähige Teilchen bil den, die Kurzschlüsse hervorrufen können.

Vorzugsweise werden deshalb Pastensysteme verwendet, bei denen die erste (untere) Kontaktschicht bei einer Spitzen brenntemperatur von 850°C eingebrannt wird, wobei das Bindemittel der Paste oxidhaltig ist, das beim erstmaligen Einbrennen einer bei wiederholtem Einbrennen irreversiblen chemischen Reaktion unterliegt. Die Paste für die untere (erste) Kontaktschicht enthält keine Silberionen, da diese Langzeitprobleme im Hinblick auf Kurzschlüsse oder Kriech strecken in einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit oder elektrischen Feldern hervorrufen können. Sie wird im Sieb druckverfahren aufgetragen, dann 10 min bei 150°C getrock net und wird anschließend entsprechend den Herstelleranga ben eingebrannt.

Auf diese erste Kontaktschicht wird dann mittels Siebdruck verfahren die Widerstandspaste aufgedruckt und bei einer Spitzenbrenntemperatur von 850°C eingebrannt, wobei das Bindemittel der Paste eine Glasfritte ist, die beim wieder holten Erhitzen über den Schmelzpunkt wieder flüssig wird, so daß die in der Widerstandspaste enthaltenen Partikel wieder frei beweglich sind. Um die notwendige Dicke der Wi derstandsschicht zu erzielen, wird die Widerstandspaste mehrfach aufgetragen, nach jedem Auftragen 15 min bei 150°C getrocknet und wird anschließend entsprechend den Her stellerangaben eingebrannt.

Die Paste zur Herstellung der oberen (zweiten) Kontakt schicht ist ein Material, das ein Bindemittel auf Glasfrit te-Basis mit niedrigem Schmelzpunkt (zumindest niedriger als der Schmelzpunkt der Widerstandspaste) enthält. Die Pa ste für die obere (zweite) Kontaktschicht wird im Sieb druckverfahren auf die Widerstandsschicht aufgetragen, dann 10 min bei 150°C getrocknet und anschließend entsprechend den Herstellerangaben eingebrannt.

Anstatt die erste und die zweite Kontaktschicht in Dick schichttechnik aufzubringen, besteht auch die Möglichkeit, daß der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen Kontaktschicht auf der Widerstandsschicht durch Ablagern (Abscheiden) einer Leiterschicht auf der Widerstandsschicht zur Bildung der zweiten elektrischen Kontaktschicht in Dünnfilmtechnik erfolgt, bzw. daß der Schritt des Aufbrin gens der ersten elektrischen Kontaktschicht auf dem Sub strat durch Ablagern einer ersten Leiterschicht auf dem Substrat zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht in Dünnfilmtechnik erfolgt. Dazu kann entweder eine Metallschicht aufgedampft oder durch Festkörper-Zerstäubung (Sputtertechnik) erzeugt werden.

Die Herstellung der beiden Kontaktschichten kann auch in unterschiedlicher Technik erfolgen. Zum Beispiel wird die eine, z. B. die untere Kontaktschicht in Dünnfilmtechnik und die obere Kontaktschicht in Dickschichttechnik hergestellt.

Bei einer anderen Variante des Herstellungsverfahrens wird zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht das Sub strat aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet, so daß sich die Herstellung der ersten Kontaktschicht in einem eigenen Arbeitsgang erübrigt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Verwendung des erfin dungsgemäßen Kraftsensors in einer Bremsanlage ist der Kraftsensor derart zwischen einem Bremspedal bzw. dessen Betätigungsstange und einem Bremskraftverstärker angeord net, daß von einem Fahrer ausgeübte Betätigungskräfte er faßt und die von dem Kraftsensor erzeugten Signale zur Steuerung eines automatischen Bremssystems herangezogen werden können.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des Erfindungsgegen standes werden im Rahmen der Beschreibung der Ausführungs beispiele deutlich, die unter Bezugnahme auf die Zeichnun gen erläutert sind. Es zeigt

Fig. 1 einen Kraftsensor gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht im Teilaufriß,

Fig. 2 den Kraftsensor gemäß Fig. 1 in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung, geschnitten längs der Linie II-II in der Fig. 1,

Fig. 3 einen Kraftsensor gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform in einer schematischen Draufsicht im Teilaufriß,

Fig. 4 den Kraftsensor gemäß Fig. 2 in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung, geschnitten längs der Linie IV-IV in der Fig. 3,

Fig. 5 einen Kraftsensor gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform in einer schematischen perspektivischen Darstellung,

Fig. 6 den Kraftsensor gemäß Fig. 5 in einer schematischen seitlichen Schnittdarstellung, geschnitten längs der Linie VI-VI in der Fig. 5,

Fig. 7 einen Kraftsensor gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen perspektivischen Darstellung,

Fig. 8 den Kraftsensor gemäß Fig. 7 in einer schemati schen seitlichen Schnittdarstellung, geschnitten längs der Linie VIII-VIII in der Fig. 7,

Fig. 9 ein erstes Temperaturprofil, gemäß dem die erste Kontaktschicht und die Widerstandsschichten eingebrannt werden, und

Fig. 10 ein zweites Temperaturprofil, gemäß dem die zweite Kontaktschicht eingebrannt wird.

In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftsensors veranschaulicht. Dabei ist auf einem Substrat 1 aus Aluminiumoxid eine erste elektri sche Kontaktschicht 2 angeordnet, die in Dickschicht-Tech nik aufgebracht ist. Die elektrische Kontaktschicht 2 hat die Gestalt einer Kreisscheibe.

Auf der elektrischen Kontaktschicht 2 ist eine elektrische Widerstandsschicht 3 angeordnet, die ebenfalls in Dick schicht-Technik aufgebracht ist. Dabei wird die erste elek trische Kontaktschicht 2 von der Widerstandsschicht 3 voll ständig überdeckt und reicht im Randbereich über den Rand der Kontaktschicht 2 hinunter auf das Substrat 1. Auch die Widerstandsschicht 3 hat die Gestalt einer Kreisscheibe, ist jedoch geringfügig größer als die erste Kontaktschicht 2, da sie diese allseitig überragt.

Auf der Widerstandsschicht 3 ist eine ebenfalls in Dick schicht-Technik aufgebrachte zweite elektrische Kontakt schicht 4 angeordnet. Die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontaktschicht 4 sind genauso groß, wie die der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 und die zweite elektrische Kontaktschicht 4 ist konzentrisch fluchtend über der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 angeordnet. Es ist auch möglich, die beiden Kontaktschichten 2, 4 in Dünnfilmtechnik aufzubringen.

Es ist weiterhin möglich, anstelle eines Substrates aus Aluminiumoxid ein elektrisch leitfähiges Material für das Substrat zu verwenden, so daß anstelle der ersten Kontakt schicht 2 das Substrat 1 direkt den Kontakt zu der Wider standsschicht 3 bildet.

Zur Verbindung mit einer (nicht veranschaulichten) Auswer teschaltung ist an der ersten Kontaktschicht 2 ein radial nach außen führender erster Anschlußstreifen 5 einstückig und materialeinheitlich angeformt. In gleicher Weise ist auch an der zweiten Kontaktschicht 4 ein radial nach außen führender zweiter Anschlußstreifen 6 angeformt. Dabei sind die beiden Anschlußstreifen 5, 6 so orientiert, daß sie sich nicht berühren.

Auch die beiden Anschlußstreifen 4, 5 sind in Dickschicht technik hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Kontaktschichten 2, 4 und die zugehörigen Anschlußstreifen 5, 6 in Dünnfilmtechnik aufzubringen.

Die beiden Anschlußstreifen 5, 6 sind auf dem Substrat 1 ausgebildet. Da die zweite Kontaktschicht 4 im vertikalen Abstand zu dem Substrat 1 liegt, ist der zweite Anschluß streifen 6 einen abgewinkelten Übergangsbereich 7 mit der höherliegenden zweiten Kontaktschicht 4 verbunden.

Je nach Anwendungsfall ist der Kraftsensor so gelagert, daß das Substrat 1 zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht 2, 4 sowie der Wider standsschicht 3 auf einer durch die zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage angeordnet ist. Dazu kann das ge samte Substrat auf einem massiven (nicht veranschaulichten) Unterbau aufgebracht sein.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß das Substrat 1 zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektri schen Kontaktschicht 2, 4 sowie der Widerstandsschicht 3 in der Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert ist. Dazu kann das Substrat 1 an seinen Rändern oder seinen Eckpunkten eingespannt oder abgestützt sein, so daß sich die gesamte Anordnung in der Richtung senkrecht zur Sub stratebene durchbiegen kann.

Weiterhin kann der Kraftsensor einen (nicht veranschaulich ten) plastisch deformierbaren Körper z. B. in Gestalt einer Acetatfolie aufweisen, der auf der freien Oberfläche der zweiten (oberen) Kontaktschicht 4 angeordnet ist. Bei der Herstellung des Kraftsensors wird auf diesen plastisch deformierbaren Körper in senkrechter Richtung (einmalig) eine Kraft ausgeübt, die größer ist als die zu messende Kraft, so daß sich Unebenheiten der Oberfläche Kontakt schicht 4 in dem deformierbaren Körper einprägen.

Bei der in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungs form des Kraftsensors weisen das Substrat 1, die erste Kon taktschicht 2, die Widerstandsschicht 3 und die zweite Kontaktschicht 4 eine konzentrische Mittelausnehmung 8 auf. Die Mittelausnehmung 8 hat eine kreisrunde Gestalt. Sie kann aber auch eckig oder oval gestaltet sein.

Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Mittelausneh mung 8 abgestuft ist. Sie weist im Bereich des Substrates 1 einen kleineren Durchmesser auf als im Bereich der ersten Kontaktschicht 2. Im Bereich der ersten Kontaktschicht 2 ist der Durchmesser der Mittelausnehmung 8 gegenüber dem Durchmesser im Substrat soweit vergrößert, daß die elek trische Widerstandsschicht 3 über den inneren Rand der ersten Kontaktschicht 2 hinaus bis auf einen nach innen ragenden ringförmigen Vorsprung 9 des Substrates 1 reicht. Im Bereich der zweiten Kontaktschicht weist die Mittelaus nehmung 8 (abgesehen von der über den inneren Rand der er sten Kontaktschicht 2 auf das Substrat 1 herunterreichenden Widerstandsschicht 3) den gleichen Durchmesser auf, wie im Bereich der ersten Kontaktschicht 4.

Durch die Mittelausnehmung 8 kann ein Spannbolzen oder eine Führungsstange (beide nicht veranschaulicht) ragen, über die der Kraftsensor vorgespannt bzw. mit einem Krafteinlei tungsteil in eine vorbestimmte Position gebracht werden kann.

Die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 entspricht im we sentlichen der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die Gestalt der Kon taktschichten 2, 4 und der Widerstandsschicht 3 rechteckig ist.

Nachstehend werden detaillierte Angaben für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kraftsensoren in Dickfilmtechnik ge geben.

Maskenerstellung

Für die Herstellung des Kraftsensors zusammen mit den drei anderen Brückenwiderständen einer Brückenschaltung werden vier Sieb-Masken benötigt.

1. Sieb 1

Sieb 1 wird zur Herstellung der ersten elektrischen Kon taktschicht auf dem Substrat benötigt. Es besteht aus rost freiem Stahl und hat eine Maschendichte von 325 Maschen/ Quadratzoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.

2. Sieb 2

Sieb 2 wird zur Herstellung der Brückenwiderstände benö tigt. Es besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Maschen dichte von 200 Maschen/Quadratzoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.

3. Sieb 3

Sieb 3 wird zur Herstellung der elektrischen Widerstands schicht für den Sensor benötigt. Es besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Maschendichte von 200 Maschen/Quadrat zoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.

4. Sieb 4

Sieb 4 wird zur Herstellung der zweiten (oberen) elektri schen Kontaktschicht benötigt. Es besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Maschendichte von 325 Maschen/Quadrat zoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.

Für die Herstellung der einzelnen Schichten werden vier Dickschichtpasten benötigt.

1. Paste für die erste Kontaktschicht: DuPont 5723 gold
2. Paste für die Brückenwiderstände: DuPont 1939 (10 kΩ)
3. Paste für die Widerstandsschicht: Heraeus R8291 (1 GΩ)
4. Paste für die zweite Kontaktschicht: Heraeus C4350 gold.

Als Substrat wird Hoechst Aluminiumoxid-Substrat verwendet (Gesamtabmessungen 30 mm · 30 mm · 2 mm), das mittels Laser in neun Einzelstücke (mit jeweils 10 mm · 10 mm · 2 mm) geschnitten wird.

Der Pastenauftrag erfolgt auf einer AMI PRESCO 465 Sieb druckmaschine.

Zum Herstellen der ersten elektrischen Kontaktschicht sind folgende Prozeßparameter einzuhalten:

Claims

1. Kraftsensor mit

- einem Substrat (1),
- einer ersten elektrischen Kontaktschicht (2), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist,
- einer elektrischen Widerstandsschicht (3), die auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) angeordnet ist und diese vollständig überdeckt, und
- einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (4), die auf der elektrischen Widerstandsschicht (3) angeordnet ist, wobei die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) nicht größer sind, als die der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) und die zweite elektrische Kontaktschicht (4) über der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) ausgerichtet angeordnet ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4) sowie der Widerstandsschicht (3) auf einer durch die zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage angeordnet ist.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4) sowie der Widerstandsschicht (3) in der Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert ist.

4. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein plastisch deformierbarer Körper auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) angeordnet ist, auf den eine Vorspannung in senk rechter Richtung ausgeübt wird, die größer ist als die größte zu messende Kraft und ausreicht, um eine bleibende plastische Verformung der Oberfläche des Körpers zu erreichen, die auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) angeordnet ist.

5. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- an der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) ein radial nach außen führender erster Anschlußstreifen (5) angeformt ist, und
- an der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) ein radial nach außen führender zweiter Anschlußstreifen (6) angeformt ist, der den ersten Anschlußstreifen (5) nicht berührt.

6. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der erste Anschlußstreifen (5) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist, und
- der zweite Anschlußstreifen (6) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und über einen abgewinkelten Über gangsbereich (7) mit der höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) verbunden ist.

7. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die erste elektrische Kontaktschicht (2),
- die elektrischen Widerstandsschicht (3) und
- die zweite elektrische Kontaktschicht (4) kreisscheibenförmig gestaltet und konzentrisch übereinander auf dem Substrat (1) angeordnet sind.

8. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Substrat (1),
- die erste elektrische Kontaktschicht (2),
- die elektrischen Widerstandsschicht (3) und
- die zweite elektrische Kontaktschicht (4) eine konzentrische Mittelausnehmung (8) aufweisen.

9. Kraftsensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Mittelausnehmung (8) abgestuft ist und im Bereich des Substrates (1) einen kleineren Durchmesser auf weist als im Bereich der ersten elektrischen Kontakt schicht (2),
- die Mittelausnehmung (8) im Bereich der ersten elek trischen Kontaktschicht (2) gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung (8) im Substrat soweit vergrößert ist, daß die elektrische Widerstandsschicht (3) über den inneren Rand der ersten elektrischen Kontakt schicht (2) hinaus bis auf einen Vorsprung (9) des Substrates (1) reicht, und
- die Mittelausnehmung (8) im Bereich der zweiten elek trischen Kontaktschicht (4) den gleichen Durchmesser aufweist, wie im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht (4).

10. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist und die erste elektrische Kontaktschicht (2) bildet.

11. Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Substrates (1),
- Aufbringen einer ersten elektrischen Kontaktschicht (2) auf dem Substrat (1),
- Aufbringen einer elektrischen Widerstandsschicht (3) auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), die die erste elektrische Kontaktschicht (2) minde stens vollständig überdeckt, und
- Aufbringen einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) auf der elektrischen Widerstandsschicht (3), wobei die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) nicht größer sind als die der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) und die zweite elektrische Kontaktschicht (4) über der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) ausgerichtet angeordnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4) sowie der Widerstandsschicht (3) auf einer durch die zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage angeordnet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4) sowie der Widerstandsschicht (3) in der Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- Anformen eines radial nach außen führenden ersten Anschlußstreifens (5) an der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), und
- Anformen eines radial nach außen führenden zweiten Anschlußstreifens (6) an der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2), der den ersten Anschlußstreifen (5) nicht berührt.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- Anordnen eines plastisch deformierbarer Körper auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontakt schicht (4),
- Ausüben einer Kraft auf den plastisch deformierbaren Körper in senkrechter Richtung, die größer ist als die größte zu messende Kraft und ausreicht, um eine bleibende plastische Verformung der Oberfläche des Körpers zu erreichen, die auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) angeordnet ist.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- Ausbilden des ersten Anschlußstreifens (5) auf dem Substrat (1) und Verbinden mit der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), und
- Ausbilden des zweiten Anschlußstreifens (6) auf dem Substrat (1) und Verbinden mit der höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) über einen abgewinkelten Übergangsbereich (7).

17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch kreisscheibenförmiges Gestalten und konzentrisches Übereinanderanordnen

- der ersten elektrischen Kontaktschicht (2),
- der elektrischen Widerstandsschicht (3) und
- der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) auf dem Substrat (1).

18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausbilden einer Mittelausnehmung (8) in dem Substrat (1), der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), der elektrischen Widerstandsschicht (3) und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4).

19. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch Abstufen der Mittelausnehmung (8) in einer Weise, daß

- die Mittelausnehmung im Bereich des Substrates (1) einen kleineren Durchmesser aufweist als im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht (2),
- die Mittelausnehmung (8) im Bereich der ersten elek trischen Kontaktschicht (2) gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung (8) im Substrat soweit vergrößert ist, daß die elektrische Widerstandsschicht (3) über den inneren Rand der ersten elektrischen Kontakt schicht (2) hinaus bis auf einen Vorsprung (9) des Substrates (1) reicht, und
- die Mittelausnehmung (8) im Bereich der zweiten elek trischen Kontaktschicht (4) im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, wie im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht (4).

20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) auf dem Substrat (1) durch Auftragen und Einbrennen einer ersten Dickschicht- Leiterpaste auf dem Substrat (1) zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der elektrischen Widerstandsschicht (3) auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) durch Auftragen und Einbrennen einer Dickschicht-Widerstandspaste auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) zur Bildung der elektrischen Widerstandsschicht (3) erfolgt.

22. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) auf der Widerstandsschicht (3) durch Auftragen und Einbrennen einer zweiten Dick schicht-Leiterpaste auf der Widerstandsschicht (3) zur Bildung der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) erfolgt.

23. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Dickschicht-Leiterpaste bei einer niedrigeren Ein brenntemperatur als die Dickschicht-Widerstandspaste eingebrannt wird.

24. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dickschicht-Leiterpaste bei der gleichen Einbrenn temperatur wie die Dickschicht-Widerstandspaste eingebrannt wird.

25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dickschicht-Leiterpaste, die Dickschicht-Widerstands paste und die zweite Dickschicht-Leiterpaste bei unterschiedlichen Einbrenntemperaturen eingebrannt werden.

26. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) auf der Widerstandsschicht (3) durch Ablagern einer Leiterschicht auf der Wider standsschicht (3) zur Bildung der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) in Dünnfilmtechnik erfolgt.

27. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Aufbringens der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) auf dem Substrat (1) durch Ablagern einer ersten Leiterschicht auf dem Substrat (1) zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) in Dünnfilmtechnik erfolgt.

28. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) das Substrat (1) aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet wird.

29. Verwendung des Kraftsensors nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 bzw. des nach dem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 28 hergestellten Kraftsensors in einer Bremsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor derart zwischen einem Bremspedal bzw. dessen Betätigungs stange und einem Bremskraftverstärker angeordnet ist, daß von einem Fahrer ausgeübte Betätigungskräfte erfaßt und die von dem Kraftsensor erzeugten Signale zur Steuerung eines automatischen Bremssystems herangezogen werden können.