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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft in ein elektrisches Signal, insbesondere einen piezoresistiven Kraftsensor.
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Derartige Vorrichtungen werden entweder unmittelbar als Kraftsensor oder beispielsweise auch als Druck- oder Beschleunigungssensoren eingesetzt, wobei durch einen geeigneten Verformungskörper die zu messende Größe in eine Kraft gewandelt wird. Die sensitive Schicht kann auf unterschiedlichen Signalwandlungsprinzipien beruhen, beispielsweise kann die Kraft in eine Änderung des elektrischen Widerstandes gewandelt werden (piezoresistives Prinzip), in eine Änderung der Kapazität (kapazitives Prinzip) oder in eine Änderung der elektrischen Polarisation oder elektrischen Ladung (piezoelektrisches Prinzip).
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Bestimmte piezoresistive Werkstoffe verändern ihre elektrische Leitfähigkeit bei einwirkenden isostatischen Drücken, d. h. bei Drücken, die aus mehreren oder sogar allen Richtungen gleichzeitig auf das sensitive Element einwirken. So zeigen beispielsweise bestimmte Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierungen eine Empfindlichkeit von 2 × 10–6/bar, entsprechend 2 × 10–11/Pa, womit Drücke im Bereich einiger 1.000 bar gemessen werden können mit Widerstandsänderungen von beispielsweise 0,2% pro 1.000 bar.
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Ein Problem, mit solchen piezoresistiven Werkstoffen Kräfte zu messen, besteht darin, die zu messende Kraft in geeigneter Weise in das Messelement einzuleiten. In Abhängigkeit von der Oberflächentopografie und/oder der Ausrichtung von Messelementeträger einerseits und der Richtung der zu messenden Kraft andererseits werden mechanisch nur Teile der Messstruktur mit der zu bestimmenden Kraft belastet. Dadurch wird die Genauigkeit und auch die Reproduzierbarkeit der Messung herabgesetzt.
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Aus der
DE 197 16 588 A1 ist ein Kraftsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere noch vielseitiger einsetzbar ist und einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb mit hoher Reproduzierbarkeit des Messsignals und mit hoher Messgenauigkeit gewährleistet.
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Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft in ein elektrisches Signal, beispielsweise ein piezoresistiver Kraftsensor, ein flächiges Substrat und eine darauf angeordnete und vorzugsweise strukturierte sensitive Schicht auf. Die sensitive Schicht wandelt die eingeleitete Kraft in ein elektrisches Signal, beispielsweise in eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Die Vorrichtung weist außerdem ein Krafteinleitungselement auf, das über mindestens eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche die gesamte Kraft des Krafteinleitungselements flächig in die sensitive Schicht einleitet.
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Vorzugsweise wird die zu messende Kraft über das Krafteinleitungselement ganzflächig oder jedenfalls über mehr als 85%, insbesondere mehr als 95% der Fläche der sensitiven Schicht in die sensitive Schicht eingeleitet. Das flächige Substrat kann beispielsweise durch eine Keramikplatte gebildet sein. Es können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen im Nutzen auf einer gemeinsamen Platte oder in einem Wafer- oder Scheibenverbund hergestellt sein und nach Ende des Herstellungsvorganges sind die Vorrichtungen durch Zerkleinern der Platte bzw. des Wafers oder der Scheibe vereinzelt. Alternativ hierzu können die Vorrichtungen auch auf bereits vereinzelten Substraten hergestellt werden. Die sensitive Schicht kann unmittelbar auf das Substrat oder unter Zwischenlage einer Isolationsschicht oder eines Isolationsschichtensystems, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht, aufgebracht sein.
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In einer Ausführungsart ist die mindestens eine Krafteinleitungsfläche durch eine zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement angeordnete und vorzugsweise strukturierte Schicht definiert. Die Strukturierung der die Krafteinleitungsfläche definierenden Schicht kann bereits beim Aufbringen der Schicht erfolgen, beispielsweise durch strukturiertes Aufbringen dieser Schicht mit einem Verfahren der Dickschichttechnik. Alternative hierzu kann die die Krafteinleitungsfläche definierende Schicht zunächst ganzflächig aufgetragen werden und anschließend beispielsweise mit fotolithografischen Verfahren der Dünnschichttechnik oder der Halbleitertechnologie strukturiert werden, wodurch sich eine hohe Präzision und Maßhaltigkeit ergibt. Die Schicht, durch welche die Krafteinleitungsfläche definiert ist, kann auch einer mechanisch festen und unlösbaren, jedenfalls zerstörungsfrei nicht-lösbaren Verbindung des Krafteinleitungselements mit der sensitiven Schicht dienen.
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Das Krafteinleitungselement leitet die Kraft an drei voneinander beabstandeten Positionen in die sensitive Schicht ein. Durch eine solche Dreibein- oder Tripod-Anordnung ist eine mechanische Überbestimmung der Kraftübertragung von dem Krafteinleitungselement in die sensitive Schicht verhindert. Über jede der drei voneinander beabstandeten Positionen kann derselbe Betrag der Kraft in die sensitive Schicht eingeleitet werden.
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In einer Ausführungsart ist an den drei Positionen zwischen dem Substrat und dem Krafteinleitungselement jeweils ein von der sensitiven Schicht gebildetes Messelement angeordnet. Diese Messelemente können elektrisch geeignet verschaltet sein, vorzugsweise bereits auf dem Substrat, um einen hohen Signalpegel zu erzielen. Beispielsweise können mehrere Messelemente in Form einer Halbbrücke oder in Form einer Vollbrücke verschaltet sein. Im Falle einer Vollbrücke können mindestens zwei der drei Elemente in unterschiedlichen Pfaden der Messbrücke verschaltet sein. Die drei Elemente sind mit weiteren, vorzugsweise ebenfalls von der sensitiven Schicht gebildeten, aber nicht mit Kraft beaufschlagten Elementen zu der Vollbrücke verschaltet.
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In einer Ausführungsart ist das Krafteinleitungselement durch eine Fügetechnik mittelbar oder unmittelbar mechanisch fest und unlösbar, jedenfalls zerstörungsfrei nicht-lösbar, mit der sensitiven Schicht verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Lotschicht oder eine Klebeschicht erfolgen. Im Falle einer Lotschicht kann vorzugsweise eine Metallisierung zwischen der sensitiven Schicht und der Lotschicht angeordnet sein. Außerdem kann eine Isolationsschicht oder ein Isolationsschichtensystem zwischen der sensitiven Schicht und der Metallisierung angeordnet sein.
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In einer Ausführungsart ist zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement mindestens eine Isolationsschicht angeordnet, insbesondere in dem Fall, dass das Krafteinleitungselement selbst oder Teile hiervon elektrisch leitfähig sind, oder dass eine Verbindung zwischen dem Krafteinleitungselement und der sensitiven Schicht elektrisch leitfähig ist.
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In einer Ausführungsart ist zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement eine Metallschicht und/oder eine Lot- oder Klebeschicht angeordnet. Die Metallschicht und/oder die Lot- oder Klebeschicht ist vorzugsweise strukturiert und weiterhin vorzugsweise nur im Bereich der sensitiven Schicht oder im Bereich der aus der sensitiven Schicht gebildeten Messelemente vorgesehen. Die Ausdehnung der Metallschicht und/oder der Lot- oder Klebeschicht kann die Krafteinleitungsfläche definieren.
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In einer Ausführungsart ist die sensitive Schicht eine piezoresistive Schicht, die eine in die sensitive Schicht eingeleitete Kraft in eine Änderung des elektrischen Widerstandes wandelt. Als piezoresistive Schichten können beispielsweise Schichten aus einer geeigneten Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierung, Polysilicium-Schichten, DLC(Diamond Like Carbon)-Schichten, Metall-dotierte Kohlenstoffschichten oder auch Nano-Ni@C-Schichten, wie sie beispielsweise aus der
WO 2009/129930 bekannt sind, eingesetzt werden. Mit der letztgenannten Schicht sind Empfindlichkeiten von mehr als 1 × 10/bar, entsprechend 1 × 10
–9/Pa, erreichbar.
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In einer Ausführungsart ist das Substrat biegesteif. Dadurch übt das Substrat als Reaktio auf die über das Krafteinleitungselement in die sensitive Schicht eingeleitete und damit auch auf das Substrat wirkende Kraft eine Gegenkraft auf die sensitive Schicht aus, vorzugsweise von einer Seite der sensitiven Schicht, die dem Krafteinleitungselement gegenüberliegt. Insbesondere weist die Vorrichtung keinen Verformungskörper wie beispielsweise eine biegsame Membran auf, sondern die Kraft wirkt von beiden oder gegebenenfalls auch von mehr als zwei Seiten oder von allen Seiten auf die sensitive Schicht ein.
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Aus der sensitiven Schicht sind mindestens zwei oder sogar mindestens vier Elemente gebildet, insbesondere mindestens zwei oder mindestens vier piezoresistive Widerstände, die vorzugsweise bereits auf dem Substrat zu einer Messbrücke verschaltet sind, insbesondere zu einer Halbbrücke oder einer Vollbrücke. In einer Ausführungsart wären bereits zwei aus der sensitiven Schicht gebildete Messelemente ausreichend, bei Anwendung der Dreibein- oder Tripod-Ankopplung des Krafteinleitungselements an die Messelemente drei solche Messelemente, die aus der sensitiven Schicht gebildet sind; die weiteren Elemente der Messbrücke müssen nicht unbedingt aus dem Werkstoff der sensitiven Schicht gebildet sein. Wenn auch die nicht mit der Kraft beaufschlagten Elemente des Messbrücke aus der sensitiven Schicht hergestellt sind, wird ein geringes Offset-Signal und/oder ein geringer Temperaturkoeffizient des Offset-Signals erreicht. Vorzugsweise sind die Messelemente und/oder die weiteren Elemente der Messbrücke mäanderförmig durch eine entsprechende fotolithografische Strukturierung der ursprünglich ganzflächig aufgebrachten sensitiven Schicht hergestellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung,
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2 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout einer Messbrücke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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4 zeigt das Layout mit den Krafteinleitungsflächen.
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Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in schematischer Darstellung. Die Darstellung ist betreffend die Schichtdicken nicht maßstabsgetreu. Die Vorrichtung 1 zum Wandeln einer Kraft 22 in ein elektrisches Signal ist im Ausführungsbeispiel ein piezoresistiver Kraftsensor, mit einem flächigen Substrat 10 und einer darauf aufgebrachten und strukturierten sensitiven Schicht 12, die im Ausführungsbeispiel durch eine DLC(Diamond Like Carbon)-Schicht oder eine Nano-Ni@C-Schicht gebildet ist. Die sensitive Schicht 12 kann unmittelbar auf das Substrat 10 aufgebracht sein, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), oder unter Zwischenlage einer Isolationsschicht oder eines Isolationsschichtensystems, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht. Die sensitive Schicht 12 wandelt die über das Krafteinleitungselement 20 eingeleitete Kraft 22 in ein elektrisches Signal, insbesondere in eine Änderung des elektrischen Widerstandes der sensitiven Schicht 12 bzw. in eine Änderung des elektrischen Widerstandes von aus der sensitiven Schicht 12 hergestellten Messwiderständen 32, 34 (3).
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Die Kraft 22 ist rechtwinklig zu der die sensitive Schicht 12 tragenden Oberfläche des Substrats 10 gerichtet. Oberhalb der sensitiven Schicht 12 ist eine Isolationsschicht 14 oder ein Isolationsschichtensystem angeordnet, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht. Die sensitive Schicht 12 und die Isolationsschicht 14 sind so hergestellt, beispielsweise in derselben Vakuumkammer atmosphärenfrei aufgebracht, dass die sensitive Schicht 12 von der Isolationsschicht 14 abgedeckt ist, und daher die Oberfläche der sensitiven Schicht 12 nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt.
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In der Darstellung der 1 erstreckt sich die Isolationsschicht 14 nur über den Bereich der sensitiven Schicht 12. Abweichend hiervon kann die Isolationsschicht 14 aber auch im Wesentlichen ganzflächig aufgebracht sein und beispielsweise nur an den Stellen, an denen die sensitive Schicht 12 elektrisch kontaktiert werden muss, kann die Isolationsschicht 14 eine hierfür vorgesehene Öffnung aufweisen. Abhängig von den eingesetzten Werkstoffen kann die Isolationsschicht 14 auch aus einem Schichtensystem bestehen, beispielsweise umfassend eine Schicht SiO2 und/oder eine Schicht Si3N4.
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Auf der Isolationsschicht 14 ist eine erste Metallschicht 16 aufgebracht, die im Ausführungsbeispiel dazu dient, die sensitive Schicht 12 kraftwirksam mit einer Fügeschicht 18, beispielsweise einer Lot- oder Klebeschicht, zu verbinden. Die Fügeschicht 18 ist wiederum fest mit dem Krafteinleitungselement 20 verbunden. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass die Kraft 22 über eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche 40, 42, 44 (4), die im Ausführungsbeispiel durch die erste Metallschicht 16 bestimmt ist, flächig in die sensitive Schicht 12 eingeleitet wird. Die Krafteinleitung erfolgt im Ausführungsbeispiel ganzflächig oder jedenfalls über mehr als 85%, insbesondere mehr als 95% der Fläche der sensitiven Schicht 12. Durch die fotolithografische Strukturierung der ersten Metallschicht 16 ist die Krafteinleitungsfläche 40, 42, 44 mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit herstellbar. Die Krafteinleitungsfläche 40, 42, 44 weist keinen Kraftschluss zum Substrat 10 auf, auch nicht bei hohen Beträgen der Kraft 22. Vielmehr wird die gesamte Kraft über den Schichtverbund flächig und vorzugsweise auch homogen auf die sensitive Schicht 12 eingeleitet.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 sowohl das Substrat 10 als auch das Krafteinleitungselement 20 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und die Kraft 22 an zwei unterschiedlichen Positionen auf jeweils eine sensitive Schicht 12 einleitbar ist. Jede der beiden sensitiven Schichten 12 repräsentiert ein Messelement der Vorrichtung 101. Beispielsweise kann jede der beiden sensitiven Schichten 12 eine piezoresistiven Widerstand repräsentieren, der vorzugsweise noch auf dem Substrat 10 zu einer Messbrücke verdrahtet ist.
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Die Isolationsschicht 14 ist unstrukturiert und weist lediglich im Bereich der nicht dargestellten Kontaktflächen für die sensitiven Schichten 12 eine Öffnung auf. Die Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44 sind durch die Position der ersten Metallschicht 16 definiert, die mit fotolithografischen Verfahren einfach und präzise aufgebracht bzw. strukturiert werden können. Beispielsweise können die Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44 im Wesentlichen deckungsgleich zu den jeweils zugeordneten sensitiven Schichten 12 sein. Außerdem weist das weitere Ausführungsbeispiel an dem Krafteinleitungselement 20, das ebenso wie das Substrat 10 beispielsweise aus einer Keramikplatte gebildet sein kann, eine zweite Metallschicht 24 auf, durch die eine mechanisch feste Verbindung mit der Fügeschicht 18, insbesondere im Falle einer Lotschicht, hergestellt werden kann.
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Die 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout 30 einer Messbrücke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Messbrücke besteht aus insgesamt vier Widerständen, die vorzugsweise alle durch Strukturierung der ursprünglich ganzflächig aufgebrachten sensitiven Schicht 12 hergestellt sind. Über die ersten Kontaktflächen 26 wird an die Messbrücke eine elektrische Spannung angelegt und über die zweiten Kontaktflächen 28 kann ein Spannungssignal proportional zu der eingeleiteten Kraft 22 abgenommen werden.
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Die Messbrücke besteht aus insgesamt vier Widerständen 32, 34, 36, 38, wobei die Messwiderstände 32, 34 im Layout 30 jeweils zweiteilig 32.1, 32.2 bzw. 34.1, 34.2 ausgebildet sind. Nur die Widerstände 32, 34 werden mit der Kraft 22 beaufschlagt, wohingegen die Widerstände 36, 38 als Referenzwiderstände in der Messbrücke verschaltet sind. Im nicht mit der Kraft 22 beaufschlagten Zustand sind die Widerstandswerte der Widerstände 32, 34, 36, 38 gleich groß, so dass sich im Idealfall ein Ausgangswert von 0 V ergibt, unabhängig von der Höhe der an den ersten Kontaktflächen 26 anliegenden Betriebsspannung.
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Die 4 zeigt das Layout mit den jeweils durch die erste Metallschicht 16 definierten Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44. Diese decken die Messwiderstände 32.1, 32.2, 34.1, 34.2 im Wesentlichen vollständig ab, insbesondere zu mehr als 85% und insbesondere zu mehr als 95% der Fläche der zugehörigen sensitiven Schichten 12. Durch die Zweiteilung der Messwiderstände 32, 34 ergeben sich insgesamt drei Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44, die voneinander beabstandet sind. Dadurch kann die Kraft 22 an drei voneinander beabstandeten Positionen mechanisch eindeutig bestimmt in die jeweilige sensitive Schicht 22 eingeleitet werden.
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An jeder der drei Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44 wird im Wesentlichen jeweils ein Drittel des Betrages der Kraft 22 in die sensitiven Schichten 12 der Messwiderstände 32.1 einerseits und 34.1 andererseits eingeleitet, und das letzte Drittel der Kraft 22 auf die benachbart angeordneten zweiten Teile 32.2 und 34.2 eingeleitet. Über den Referenzwiderständen 36, 38 wird dagegen keine erste Metallschicht 16 angeordnet, so dass in diesem Bereich keine Krafteinleitung stattfindet.
