WO2002079740A1 - Kapazitives mikrosystem zur erfassung mechanischer verformungen, verwendung und betriebsverfahren - Google Patents

Kapazitives mikrosystem zur erfassung mechanischer verformungen, verwendung und betriebsverfahren Download PDF

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    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors

Definitions

  • Capacitive microsystem for the detection of mechanical deformations, use and operating methods
  • the invention relates to a capacitive microsystem for detecting mechanical deformations, the use for measuring forces and an operating method.
  • strain gauges are attached directly to the measuring point on a component.
  • sticking and contacting strain gauges is technologically complex. This is particularly disadvantageous in series production and in applications in the field.
  • the long-term stability and overload protection of strain gauges is unsatisfactory.
  • capacitive torque and force sensors have, for example, comb-shaped intermeshing electrode structures.
  • the displacements that occur here are only a few micrometers.
  • the electrode distance is changed according to a shift at the measuring location.
  • this type of sensor can be attached to components to be measured more easily, a very high degree of accuracy in the division and adjustment is required in the manufacture of comb structures. This limits the possibility of reducing costs.
  • the invention has for its object to provide an integrated capacitive microsystem that can replace previous sensors, is much easier to install and a higher number of load changes and improved overload safety having. Furthermore, a modification for use on vehicle sets and an operating method must be specified.
  • the invention is based on the finding that by using an integrated capacitive microsystem, in which both the measuring electrode and a reference capacitor in planar technology and an electronic component are applied to a glass substrate, a measuring element with a higher number of load cycles and with improved overload protection can be represented ,
  • the sensor can be manufactured using known and proven manufacturing technologies and equipment.
  • the sensor can be used in particular to measure a force if it is applied to a deformation element whose mechanical properties are known.
  • seat attachments are designed as deformation elements, to each of which at least one capacitive microsystem for detecting mechanical deformations is attached.
  • a capacitive microsystem is equipped with an induction coil, so that data can be transmitted to the outside.
  • the capacitive microsystem can be supplied with energy from outside via the induction coil.
  • an induction loop guided over each capacitive microsystem is advantageously used.
  • the operating mode of a capacitive microsystem is advantageously designed in such a way that there is an alternation between an energy transmission for the system and a data transmission to the outside.
  • FIG. 1 shows a capacitive microsystem for detecting the weight in connection with a deformation element
  • FIG. 2 shows theoretical foundations for a capacitive microsystem for the detection of deformation and weight force calculation
  • Figure 3 shows a capacitive microsystem for detecting the
  • FIG. 4 shows a capacitive microsystem according to FIG. 3 with electrical contact to the outside
  • FIG. 5 shows a glass substrate 10 with a measuring electrode, reference capacitor and applied thereon using planar technology
  • FIG. 6 schematically shows the top view of a vehicle seat which is built on supports with fastening elements, which is shown as deformation elements with capacitive microsystems.
  • FIG. 1 shows a sectional side view of a capacitive microsystem 17 which is applied to a deformation element 6.
  • the Verfor ungselement 6 is in turn attached to a carrier 7 and is on the opposite side loaded by a weight 1.
  • the capacitive micro or measuring system 17 is rigidly connected to the deformation element 6 at the fastening points 3.
  • the bending element 20 of the capacitive microsystem 17 will thereby perform movements, in particular bends, of the deformation element 6 under load in a defined manner. This provides a fixed relationship between the capacitive microsystem 17 and the deformation element 6.
  • the end region 22 of the carrier 21 on the right in FIG. 1 remains static, since it is rigidly connected to the deformation element 6 at the attachment point 3.
  • the carrier 21 In its central region between the bending regions 5, the carrier 21 will experience a deflection which correlates with the deformation of the deformation element 6.
  • the measuring electrode 2 positioned on the carrier 21 is thus moved relative to the static counterelectrode 8, resulting in a change in angle between the electrodes positioned at an acute angle to one another.
  • FIG. 2 shows a height h / path x diagram in which the deflection between the electrodes is considered relative to the electrode length.
  • the transfer function of the capacitive microsystem is derived from this.
  • the longitudinal extension of the measuring electrode lies in the x direction, the end points li and 1 2 of the electrode indicating their effective length.
  • the height h (x) can be represented by the product of the elastic constant k and the weight W taking into account an exit opening h 0 .
  • the transfer function valid for the capacitive microsystem when measuring the weight force can be derived by resolution according to the weight force W.
  • FIGS. 3 and 4 show configurations of the invention, the counter electrode 8 being positioned in each case in the left end region 22 of the sectional side view of the capacitive microsystem 17.
  • a bending element 20 is shown in each of the two figures, which consists of a central carrier 21 with end regions 22 on both sides, which are connected to the central carrier 21 via bending regions 5.
  • the end region 22, with which the counterelectrode 8 is rigidly connected, is rigidly connected via the fastening point 3 to a deformation element 6, not shown in FIGS. 3 and 4.
  • a force acting in the direction of force 11 is responsible for a bend between the left and the right end region 22 of the bending element 20.
  • This connection can have more degrees of freedom than the connection of the end region 22 on the left side of the bending element 20.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the invention in which both the measuring electrode 2 and an electronic component 14 as well as a reference capacitor 15 and a coil 16 are applied to a glass substrate 10 which is fastened on the carrier 21 by means of an adhesive layer 9.
  • Measuring electrode 2, reference capacitor 15 and coil 16 are designed in planar technology, in particular in thin-film technology.
  • the electronic component 14 is preferably applied using flip-chip technology, ie in direct mounting, on the correspondingly prepared surface of the glass substrate 10. The positioning of the glass substrate 10 with the
  • Figure 5 shows a three-dimensional representation of a glass substrate 10. On its surface are shown: measuring electrode 2, electronic component 14 in flip-chip technology, reference capacitor 15 and coil 16. This entire arrangement is planar and also contains internal wiring.
  • FIG. 6 shows the use of capacitive microsystems 17 on a vehicle seat.
  • the vehicle seat 23 is mounted on supports 7, with seat fastenings 18 being interposed. These seat fastenings 18 are shown as or in connection with deformation elements 6.
  • Mechanical elements are thus present between the driver's seat 23 and its base support 7, the mechanical properties of which are known.
  • a statement can be made as to which weight force is present when the deformation element 6 bends or moves over a certain amount in a predetermined system, for example over a certain length.
  • the capacitive measuring system 17 such deflections can be measured capacitively, can be transmitted to the outside, and can accordingly be converted into desired sizes.
  • an induction loop 19 is used for data transmission from the capacitive microsystems 17 or for energy transmission for these systems. The data about the weight forces W ⁇ _ 4 can be taken accordingly or queried.

Abstract

Ein kapazitives Mikrosystem (17) kann als Ersatz für heute gebräuchliche Dehnungs-Messstreifen eingesetzt werden. Es ergeben sich wesentliche Vorteile hinsichtlich der Handhabung, der Überlastsicherheit und der Lastwechselzahl. Der Einsatz derartiger kapazitiver Mikrosysteme kann zur Erfassung von Verformungen und zur Berechnung von Kräften, Drehmomenten u.ä. benutzt werden. Insbesondere kann das Gewicht von Fahrzeugsitzen ermittelt werden, um beispielsweise Auslösedaten für einen Airbag zu liefern.

Description

Beschreibung
Kapazitives Mikrosystem zur Erfassung mechanischer Verformungen, Verwendung und Betriebsverfahren
Die Erfindung betrifft ein kapazitives Mikrosystem zur Erfassung mechanischer Verformungen, die Verwendung zur Messung von Kräften und ein Betriebsverfahren.
Im Stand der Technik sind verschiedene kapazitive Drehmoment- und Kraftsensoren bekannt. Drehmomente werden heute im industriellen Bereich im Allgemeinen mit Messzellen gemessen, die mit Dehnungs-Messstreifen bestückt sind. Dehnungs- Messstreifen werden direkt auf die Messstelle an einem Bau- element angebracht. Das Aufkleben und Kontaktieren von Dehnungs-Messstreifen gestaltet sich jedoch technologisch aufwendig. Dies ist insbesondere bei der Serienfertigung sowie bei Anwendungen im Feld von Nachteil. Ferner ist die Langzeitstabilität und Überlastsicherheit von Dehnungs- Messstreifen nicht zufriedenstellend.
Andere bekannte kapazitive Drehmoment- und Kraftsensoren weisen beispielsweise kammförmig ineinander greifenden Elektrodenstrukturen auf. Die hierbei auftretenden Verschiebungen betragen nur wenige Mikrometer. Dabei wird der Elektrodenabstand entsprechend einer Verschiebung am Messort geändert. Diese Art von Sensoren ist zwar problemloser an zu vermessende Bauteile anzubringen, jedoch wird bei der Herstellung von Kammstrukturen eine sehr hohe Genauigkeit in der Teilung und Justierung gefordert. Dies begrenzt die Möglichkeit in der Kostenreduzierung .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein integriertes kapazitives Mikrosystem zu schaffen, das bisherige Sensoren ersetzen kann, wesentlich einfacher anzubringen ist und eine höhere Lastwechselzahl und verbesserte Überlastsicherheit aufweist. Weiterhin ist eine Modifikation für den Einsatz an Fahrzeugsätzen anzugeben sowie ein Betriebsverfahren.
Die Lösung dieser der Erfindung zugrunde liegenden Ziele er- geben sich jeweils durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 7 oder 11.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz eines integrierten kapazitives Mikrosystems, bei dem sowohl die Messelektrode als auch ein Referenzkondensator in Planartechnik sowie ein elektronisches Bauelement auf einem Glassubstrat aufgebracht sind, ein Messelement mit höherer Lastwechselzahl, sowie mit einer verbesserten Überlastsicherung darstellbar ist. Der Sensor ist mit bekannten und be- währten Fertigungstechnologien und Einrichtungen herstellbar. Der Sensor kann insbesondere zur Messung einer Kraft verwendet werden, wenn er auf einem Verformungselement aufgebracht ist, dessen mechanische Eigenschaften bekannt sind. Für die Messung einer Kraft, insbesondere einer Gewichtskraft an ei- nem Fahrzeugsitz, werden Sitzbefestigungen als Verformungselemente ausgebildet, an denen jeweils mindestens ein kapazitives Mikrosystem zur Erfassung von mechanischen Verformungen angebracht ist.
Es ist besonders vorteilhaft, die Daten und/oder Energieübertragung berührungslos auszulegen. Hierfür wird ein kapazitives Mikrosystem jeweils mit einer Induktionsspule ausgestattet, so dass Daten nach außen hin übertragbar sind. Gleichzeitig lässt sich das kapazitive Mikrosystem über die Induk- tionsspule von außen mit Energie versorgen.
Zur Interaktion mehrerer kapazitiver Mikrosyste e an mehreren Befestigungspunkten eines Fahrzeugsitzes wird in vorteilhafter Weise eine über jedes kapazitive Mikrosystem geführte In- duktionsschleife eingesetzt. Die Betriebsweise eines kapazitiven Mikrosystems ist in vorteilhafter Weise derart gestaltet, dass zwischen einer Energieübertragung für das System und einer Datenübertragung nach außen hin abgewechselt wird.
Im Folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt ein kapazitives Mikrosystem zur Erfassung der Gewichtskraft in Verbindung mit einem Verformungselement,
Figur 2 zeigt theoretische Grundlagen für ein kapazitives Mikrosystem zur Verformungserfassung und Gewichts- kraftberechnung,
Figur 3 zeigt ein kapazitives Mikrosystem zur Erfassung der
Verformung mit kontaktloser induktiver Leistungs- und Signalübertragung,
Figur 4 zeigt ein kapazitives Mikrosystem entsprechend Figur 3 mit elektrischer Kontaktierung nach außen,
Figur 5 zeigt ein Glassubstrat 10 mit darauf in Planartechnik aufgebrachter Messelektrode, Referenzkondensator und
Induktionsspule sowie einem elektronischen Bauelement,
Figur 6 zeigt schematisch die Draufsicht auf einen Fahrzeug- sitz, der auf Trägern mit Befestigungselementen aufgebaut ist, die als Verformungselemente mit kapazitiven Mikrosystemen dargestellt ist.
Figur 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines kapaziti- ven Mikrosystems 17, das auf einem Verformungselement 6 aufgebracht ist. Das Verfor ungselement 6 ist wiederum an einem Träger 7 befestigt und wird an der gegenüber liegenden Seite von einer Gewichtskraft 1 belastet. An den Befestigungspunkten 3 ist das kapazitive Mikro- oder Mess-System 17 starr mit dem Verformungselement 6 verbunden. Das Biegeelement 20 des kapazitiven Mikrosystems 17 wird dadurch Bewegungen, insbe- sondere Biegungen des Verformungselementes 6 bei Belastung in definierter Weise mit ausführen. Dadurch ist ein fester Bezug zwischen kapazitivem Mikrosystem 17 und Verformungselement 6 gegeben. Im kapazitiven Mikrosystem 17 bleibt der in Figur 1 rechts liegende Endbereich 22 des Trägers 21 statisch, da er an dem Befestigungspunkt 3 starr mit dem Verformungselement 6 verbunden ist. Der Träger 21 wird, in seinem zentralen Bereich zwischen den Biegebereichen 5, eine Auslenkung erfahren, die mit der Verformung des Verformungselementes 6 korre- liert. Die auf dem Träger 21 positionierte Messelektrode 2 wird somit relativ zu der statischen Gegenelektrode 8 bewegt, wobei sich eine Winkeländerung zwischen den spitzwinkelig gegeneinander angestellten Elektroden ergibt.
In Figur 2 ist ein Höhe h/Weg x - Diagramm dargestellt, in welchem die Auslenkung zwischen den Elektroden relativ zur Elektrodenlänge betrachtet wird. Daraus wird die Übertragungsfunktion des kapazitiven Mikrosystems abgeleitet. Die Längserstreckung der Messelektrode liegt in x-Richtung, wobei die Endpunkte li und 12 der Elektrode deren wirksame Länge angeben. Die Höhe h (x) lässt sich darstellen durch das Produkt aus Elastizitätskonstante k und Gewichtskraft W unter Berücksichtigung einer Ausgangsöffnung h0. Durch Auflösung nach der Gewichtskraft W lässt sich die für das kapazitiv Mikrosystem gültige Übertragungsfunktion bei der Gewichts- kraftmessung ableiten. Die Bezeichnungen bedeuten im Einzelnen: k = Elektrizitätskonstante, ε0 = Dielektrizitätskonstante, b = Breite der Elektrode, W = Gewichtskraft, C = Kapazität, l2-lι = Länge der Elektrode, wobei die Indizierung bei Kapazität und Öffnungshöhe für den Ruhezustand mit 0 und für den Betriebszustand mit W gilt. Die Figuren 3 und 4 zeigen Ausgestaltungen der Erfindung, wobei die Gegenelektrode 8 jeweils im linken Endbereich 22 der geschnittenen Seitenansicht des kapazitiven Mikrosystem 17 positioniert ist. In beiden Figuren ist jeweils ein Biegeele- ment 20 dargestellt, das aus einem zentralen Träger 21 besteht mit beiderseitigen Endbereichen 22, die über Biegebereiche 5 mit dem zentralen Träger 21 verbunden sind. Der Endbereich 22 mit dem die Gegenelektrode 8 starr verbunden ist, wird über den Befestigungspunkt 3 starr mit einem in den Fi- guren 3 und 4 nicht dargestellten Verformungselement 6 verbunden. Eine in Kraftrichtung 11 wirkende Kraft ist verantwortlich für eine Biegung zwischen dem linken und dem rechten Endbereich 22 des Biegeelementes 20. In den Figuren 3 und 4 ist der in der Figur rechts dargestellte Endbereich 22 eben- falls über den Befestigungspunkt 3 mit einem Verformungselement 6 fest verbunden. Diese Verbindung kann mehr Freiheitsgrade aufweisen als die Verbindung des Endbereiches 22 auf der linken Seite des Biegeelementes 20. Wichtig ist, dass der rechte Endbereich 22 des Biegeelementes 20 Bewegungen eines Verformungselementes 6 gleichförmig mit ausführt. Hierzu ist es notwendig, am Befestigungspunkt 3 eine Verbindung zwischen Biegeelement 20 und Verformungselement 6 herzustellen, die beide Elemente gegeneinander derart fixiert, dass sie sich bei einer Biegung des Verformungselementes im Wesentlichen parallel zueinander bewegen.
Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, in der auf einem Glassubstrat 10, das auf dem Träger 21 mittels einer Klebeschicht 9 befestigt ist, sowohl die Messelektrode 2 als auch ein elektronisches Bauelement 14 als auch ein Referenzkondensator 15 und eine Spule 16, aufgebracht sind. Messelektrode 2, Referenzkondensator 15 und Spule 16 sind in Pla- nartechnologie, insbesondere in Dünnfilmtechnik ausgebildet. Das elektronische Bauelement 14 ist vorzugsweise in Flip- Chip-Technologie, d. h. in Direktmontage, auf der entsprechend vorbereiteten Oberfläche des Glassubstrates 10 aufgebracht. Die Positionierung des Glassubstrates 10 mit den ent-
Figure imgf000008_0001
Figur 5 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Glassubstrates 10. Auf dessen Oberfläche sind dargestellt: Messelektrode 2, elektronisches Bauelement 14 in Flip-Chip- Technologie, Referenzkondensator 15 und Spule 16. Diese gesamte Anordnung ist planar ausgeführt und beinhaltet ebenfalls interne Verdrahtungen.
Figur 6 zeigt die Verwendung von kapazitiven Mikrosystemen 17 an einem Fahrzeugsitz. Der Fahrzeugsitz 23 ist auf Trägern 7 montiert, wobei Sitzbefestigungen 18 zwischengeschaltet sind. Diese Sitzbefestigungen 18 werden als oder in Zusammenhang mit Deformationselementen 6 dargestellt. Somit sind mechanische Elemente zwischen dem Fahrersitz 23 und dessen Basisträger 7 vorhanden, deren mechanische Eigenschaften bekannt sind. Durch die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften der Verfor ungselemente 6 kann eine Aussage darüber getroffen werden, welche Gewichtskraft vorliegt, wenn sich das Verformungselement 6 über einen bestimmten Betrag in einem vorgegebenen System, beispielsweise auf eine bestimmte Länge, biegt oder bewegt. Mit dem kapazitiven Mess-System 17 sind derartige Auslenkungen kapazitiv messbar, nach außen hin übertragbar und können entsprechend in gewünschte Größen umgerechnet werden. Wie in Figur 6 dargestellt, dient eine Induktionsschleife 19 zur Datenübertragung von den kapazitiven Mikrosystemen 17 oder zur Energieübertragung für diese Systeme. Die Daten über die Gewichtskräfte Wι_4 können entsprechend entnommen o- der abgefragt werden.
Ein System entsprechend der Erfindung weist insbesondere fol- gende Vorteile auf:
- Eine unbegrenzte Anzahl von Lastzyklen bzw. keinerlei Ermüdungserscheinungen oder Alterung,
- eine hohe Überlastsicherheit,
- leichte Montage durch zwei beabstandete Befestigungspunk- te,
- einen linearen, digitalen Signalausgang,
- keine individuelle Kalibrierung, - keine unhandlichen Ausrichte- oder Montageprozesse bei der Herstellung,
- Herstellung ausschließlich durch standardisierte Verfahren mit auf dem Markt erhältlichen Bauteilen, - kontaktlose Energie- und Signalübertragung.

Claims

Patentansprüche
1. Kapazitives Mikrosystem zur Erfassung mechanischer Verformungen bestehend aus: - mindestens zwei flächig ausgebildeten und spitzwinkelig gegeneinander angestellten Elektroden, die eine Messelektrode (2) und eine Gegenelektrode (8) darstellen, wobei Mess-Signale aus Veränderungen der Kapazität bei entsprechender Veränderung des zwischen den Elektroden gebildeten Anstellwinkels resultieren,
- einem langgestreckten Biegeelement (20) , das einen steg- förmigen Träger (21) und Endbereiche (22) aufweist, die jeweils über Biegebereiche (5) mit dem Träger (21) verbunden sind, - mindestens einer Gegenelektrode (8), die starr mit einem Endbereich (22) des Biegeelementes (20) verbunden ist und mit der auf dem Träger (21) positionierten Messelektrode (2) zusammenwirkt, wobei sowohl die Messelektrode (2) als auch ein Referenz- kondensator (15) planar, sowie ein elektronisches Bauelement (14) auf einem auf dem Träger (21) befestigten Glas- substrat (10) aufgebracht sind und über Anschlüsse (12,13) sowohl Messdaten als auch eine Energieversorgung verfügbar sind.
2. Kapazitives Mikrosystem nach Anspruch 1, bei dem anstelle von Anschlüssen (12,13) auf dem Glassubstrat (10) zusätzlich eine Spule (16) in Planartechnik zur induktiven Daten- und/oder Energieübertragung vorhanden ist.
3. Kapazitives Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elektronische Bauelement (14) in CMOS- Technologie dargestellt ist.
4. Kapazitives Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elektronische Bauelement (14) ein unge- häuster, in Direktmontage aufgebrachter, integrierter Schaltkreis ist.
5. Kapazitives Mikrosystem nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem zumindest der Bereich der Elektroden (2, 8) und des Glassubstrates (10) von einem hermetisch dicht schließenden Gehäuse (4) abgedeckt ist.
6. Kapazitives Mikrosystem nach einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem das Biegeelement (20) über in dessen Endbereichen (22) vorhandene Befestigungspunkte (3) mit einem Verformungselement (6) verbindbar ist.
7. Verwendung eines kapazitives Mikrosystem zur Erfassung me- chanischer Verformungen entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Messung einer Kraft, indem die mechanische Verformung eines Verformungselementes (6) mit bekannten mechanischen Eigenschaften durch das kapazitives Mikrosystem detek- tiert und die dazu notwendige Kraft berechnet wird.
8. Verwendung nach Anspruch 7, bei der eine Gewichtskraft (1) gemessen wird, indem mindestens ein kapazitives Mikrosystem (17) die durch eine Gewichtskraft (1) bewirkte Biegung des
Verformungselementes (6) detektiert.
9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Gewichtskraft an einem Fahrzeugsitz gemessen wird, indem Sitzbefestigungen (18) als Verformungselemente (6) ausgebildet und mit kapazitives Mikrosystemen (17) bestückt sind.
10. Verwendung eines kapazitives Mikrosystems zur Erfassung mechanischer Verformungen entsprechend Anspruch 2, wobei die berührungslose Daten- und/oder Energieübertragung über eine externe Induktionsschleife (19) erfolgt und mehrere kapaziti- ves Mikrosysteme abgefragt bzw. mit Energie beladen werden.
11. Verfahren zum Betrieb eines kapazitives Mikrosystems zur Erfassung mechanischer Verformungen entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zwischen der Energieübertragung von der Induktionsschleife (19) zum kapazitives Mikrosystem (17) und der Datenübertragung vom kapazitives Mikrosystem (17) zur Induktionsschleife (19) abgewechselt wird.
PCT/DE2002/001169 2001-03-30 2002-03-28 Kapazitives mikrosystem zur erfassung mechanischer verformungen, verwendung und betriebsverfahren WO2002079740A1 (de)

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