DE102011105756A1

DE102011105756A1 - Elektrische Messeinrichtung zur Kraft- und/oder Druckmessung

Info

Publication number: DE102011105756A1
Application number: DE201110105756
Authority: DE
Inventors: Anton Stier; Pablo Aguirre; Herbert Holzheu
Original assignee: Kaufbeurer Mikrosysteme Wiedemann GmbH
Current assignee: Kaufbeurer Mikrosysteme Wiedemann GmbH
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2012-08-02
Also published as: WO2012100770A1

Abstract

Elektrische Messeinrichtung zur Kraft- und/oder Druckmessung mit wenigstens einer auf eine Trägerfläche aufgebrachten Messstruktur, die zumindest teilweise aus einem piezo resistiven Material besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Messeinrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Elektrische Messeinrichtungen unter Verwendung von Sensorelementen in Form von Dehnungsmessstreifen (DMS) mit jeweils wenigstens einer Messstruktur sind bekannt. Das kraft- und/oder druckabhängige Messsignal beruht auf einer Änderungen des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Messstruktur, die (Widerstandsänderung) beim Dehnen des Dehnungsmessstreifens und damit der Messstruktur auftritt, d. h. bei einer Belastung der jeweiligen auf einer Oberseite oder Trägerfläche eines Substrates angeordneten Messstruktur in wenigstens einer in der Oberflächenseite verlaufenden Achsrichtung. Das Substrat besteht hierfür aus einem elastisch verformbaren Material, bevorzugt aus einem polymeren Material, dessen Härte kleiner ist als die Härte des für die Messstruktur verwendeten Materials. Nachteilig ist bei bekannten Messeinrichtungen mit Dehnungsmessstreifen, dass stets ein gewisser Weg oder Bewegungshub mit nicht unerheblicher Größe zwischen zwei Funktionselement der Messeinrichtung sowohl bei der Kraftmessung als auch bei der Druckmessung erforderlich ist, was in vielen Fällen aus unterschiedlichsten Gründen nicht erwünscht ist und/oder nicht unerhebliche konstruktive Nachteile bedingt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beheben und eine Messeinrichtung aufzuzeigen, die ohne einen Bewegungshub, zumindest aber ohne einen merkbaren Bewegungshub, d. h. mit einem im Vergleich zu den vorgenannten bekannten Messeinrichtungen extrem reduzierten Bewegungshub die Messung von Kräften und/oder Drücken, d. h. die Erzeugung von kraft- und/oder druckabhängigen elektrischen Messsignalen möglich. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Messeinrichtung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung besteht darin, dass diese so ausgeführt ist, dass die jeweils zu messende Kraft und/oder der jeweils zu messende Druck und/oder hiervon abgeleitete Kräfte oder Drücke senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht auf die wenigstens eine Messstruktur, d. h. ausschließlich in einer Achsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht auf die wenigstens eine Messstruktur bzw. die diese Messstruktur bildende Fläche einwirken.
Der Ausdruck „im Wesentlichen” bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von maximal +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
„Piezo resistiven Materialien” sind im Sinne der Erfindung solche Werkstoffe oder Materialien, mit denen auf Trägerflächen elektrische Widerstands- oder Messstrukturen herstellbar sind, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von einer Kraft- und/oder Druckeinwirkung auf die Messstruktur senkrecht oder im Wesentliche senkrecht zu der Trägerfläche ändert.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in sehr vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Kraftmesseinrichtung gemäß der Erfindung;
2 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt das Sensorelement der Kraftmesseinrichtung der 1;
3 in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf das Sensorelement der 2;
4 in vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung;
5 eine vergrößerte Teildarstellung der Druckmesseinrichtung der 4;
6 in sehr vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform der Kraftmesseinrichtung gemäß der Erfindung;
7 in vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung;
8 eine vergrößerte Teildarstellung der Druckmesseinrichtung der 7.
Zur Vereinfachung der Beschreibung sind in den Figuren die senkrecht zueinander orientierten Achsen eines kartesischen Koordinatensystems, nämlich die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse angegeben.
Die in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Kraftmesseinrichtung dient zur Messung der zwischen einem ersten Funktionselement 2 (Kraftaufnehmer) und einem zweiten Funktionselement 3 (Basis) der Kraftmesseinrichtung 1 in der Z-Achse wirkenden Kraft F und zur Erzeugung wenigstens eines von der Größe dieser Kraft F abhängigen, z. B. zu der Größe der Kraft F proportionalen elektrischen Signals. Das Funktionselement 2 ist bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise ein massives stempelartiges Element mit einer ebenen in der XY-Ebene liegenden Stempelfläche 2.1. Das Funktionselement 3 ist bei der dargestellten Ausführungsform beispielsweise ein massives Basis- oder Trägerelement, z. B. aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Stahl (z. B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder Edelstahl) und weist bei der dargestellten Ausführungsform an seiner Oberseite ebenfalls eine ebene oder plane in einer XY-Ebene angeordnete Fläche 3.1 auf. Weiterhin ist bei der dargestellten Ausführungsform ist die Fläche 3.1 größer als die Fläche 2.1, sodass das Funktionselement 3 mit seiner Fläche 3.1 seitlich über das Funktionselement 2 bzw. dessen Fläche 2.1 weg steht. Grundsätzlich könnte die Fläche 2.1 in wenigstens einem Teilbereich auch konvex ausgebildet sein.
Zwischen den beiden Funktionselementen 2 und 3 bzw. zwischen den parallel zueinander angeordneten Flächen 2.1 und 3.1 ist ein Sensorelement 4 angeordnet, welches bei der dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen aus einem plattenförmigen Substrat 5 mit einer Messstruktur 6 an einer Substrat-Oberflächenseite besteht. Die Substrat-Oberflächenseite und Messstruktur 6 bzw. die diese Messstruktur bildende Schicht sind in einer XY-Ebene angeordnet. Die Messstruktur ist bevorzugt als meanderartige Leiterbahn ausgeführt. Auch andere Formen für die Messstruktur 6 sind möglich. Mit der der Messstruktur 6 abgewandten Oberflächenseite liegt das Substrat 5 gegen die Fläche 3.1 an. Grundsätzlich ist hierfür das Substrat 5 ein- oder mehrlagig so ausgeführt, dass die Messstruktur 6 elektrisch von dem Funktionselement 3 getrennt ist.
Zur elektrischen Trennung zwischen der Messstruktur 6 und dem Funktionselement 2 ist dieses bei der dargestellten Ausführungsform an seiner dem Sensorelement 4 zugewandten und gegen die Messstruktur 6 anliegenden Stirnseite oder Fläche 2.1 mit einer Isolierschicht 7 versehen. Ansonsten besteht das Funktionselement 2 ebenfalls z. B. aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Stahl (z. B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder Edelstahl) oder aber das Funktionselement ist insgesamt aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigt.
Die Messstruktur 6 ist an zwei einander entfernt liegenden Bereichen jeweils mit einem elektrischen Anschluss 8 versehen, über den das Sensorelement 4 bzw. die Kraftmesseinrichtung 1 an eine Mess- und Auswertelektronik 9 anschließbar oder angeschlossen ist, und zwar u. a. zur Erzeugung eines von der Größe der Kraft F abhängigen Messsignals. Die Mess- und Auswertelektronik 9 ist bevorzugt zumindest teilweise Bestandteil der Kraftmesseinrichtung 1.
Über die Isolierschicht 7 wirkt die Kraft F ausschließlich in der Richtung der Z-Achse oder im Wesentlichen in der Richtung der Z-Achse auf die Messstruktur 6 ein, d. h. in einer Achsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der die Messstruktur 6 aufweisenden Oberflächenseite des Substrates 5 und damit senkrecht zu der XY-Ebene, in der sich die Messstruktur 6 erstreckt. Mit der Fläche 2.1 wirkt das Funktionselement 2 bzw. die auf dieses Funktionselement 2 ausgeübte Kraft F z. B. möglichst gleichmäßig auf den in der 3 mit der unterbrochenen Linie 6.1 begrenzten wirksamen und zwischen den beiden Anschlüssen 8 gebildeten Bereich der Messstruktur 6 ein.
Die für das Substrat 5, die Messstruktur 6 und die Isolierschicht 7 verwendeten Werkstoffe sind so ausgewählt, dass die Materialhärte und/oder der E-Modul des Substrates 5 sowie auch der Isolierschicht 7 jeweils größer ist als die Materialhärte des für die Messstruktur 6 verwendeten Materials. Weiterhin ist zumindest der Werkstoff für das Substrat 5 so gewählt, dass während der Messung keine oder im Wesentlichen keine Verformung des Substrates 5 erfolgt. Als Material für das Substrat 5 und die Isolierschicht 7 eignen sich beispielsweise Keramiken unterschiedlicher Art, beispielsweise Keramiken auf Basis von Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Karbid usw. Auch andere Werkstoffe, auch Verbundwerkstoffe mit entsprechender Materialhärte und mit elektrisch isolierenden Eigenschaften sind für das Substrat 5 und/oder die Isolierschicht 7 geeignet.
Die Messstruktur 6 besteht aus einem elektrisch leitenden und/oder piezo resistiven Material, welches zumindest in dem Messbereich, für den die Kraftmesseinrichtung 1 ausgelegt ist, nicht bleibend verformt wird, sondern elastisch ist. Als piezoresistives Material für die Messstruktur 6 eignen sich u. a. metallische Werkstoffe, z. B. Ni, Cr, Ti, Pt, Cu und/oder W und/oder deren Legierungen in beliebigen Mischungsverhältnis und/oder deren Oxide und/oder Nitride, auch Werkstoffe, die für die Messstruktur von Dehnungsmessstreifen üblicherweise verwendet werden, beispielsweise Kupfer-Nickel-Legierungen, beispielsweise Konstantan (z. B. 54%Cu 45%Ni 1%Mn), Nickel-Chrom-Legierungen, beispielsweise NichromeV (z. B. 80%Ni 20%Cr), Platin-Wolfram-Legierungen (z. B. 92%Pt 8%W) oder Platin (etwa 100%Pt), Titanverbindungen, z. B. aus Titanhydrid.
Als piezoresistives Material für die Messstruktur 6 eignen sich auch Halbleitermaterialien, z. B. p-dotiertes Silizium (z. B. Silizium dotiert mit ppm-Bereiche) oder n-dotiertes Silizium (z. B. Siliziumdotiert mit Phosphor im ppm-Bereich).
Das Aufbringen der Messstruktur 6 auf das Substrat 5 erfolgt bevorzugt mit der Dünnschichttechnologie, z. B. durch chemische (CVD) und/oder physikalische (PVD) Abscheidungsverfahren und/oder Spattern, wobei bei Verwendung von Halbleitermaterial, beispielsweise von Silizium dieses entweder in Form einer dünnen monokristallinen Schicht oder aber als polykristalline Schicht, z. B. als aufgedampfte polykristalline Schicht aufgebracht wird. Die Schichtdicke, die die Messstruktur 6 in Richtung der Z-Achse aufweist, entspricht dabei den üblicherweise mit der Dünnschichttechnologie erzielten Schichtdicken, ist beispielsweise kleiner als 40 μm, und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 μm und 20 μm. Die jeweils gewünschte Form der Messstruktur 6 wird durch Strukturieren einer zunächst flächig oder im Wesentlichen flächig aufgebrachten Schicht erzeugt, beispielsweise unter Verwendung der dem Fachmann bekannten Maskierungs- und Ätztechnik, oder das Aufbringen der Messstruktur erfolgt unter Verwendung von Masken.
Auch andere Verfahren zur Herstellung der Messstruktur 6 sind möglich, beispielsweise das Aufbringen der Messstruktur 6 oder einer diese Messstruktur bildenden Schicht durch Aufkaschieren oder Banden einer die Messstruktur bildenden Folie aus dem piezo resistiven Material auf das Substrat 5. Weiterhin ist es auch möglich, die Messstruktur 6 unter Verwendung der Dickfilmtechnologie herzustellen, d. h. durch Aufdrucken der Messstruktur 6 auf das Substrat 5 z. B. im Siebdruckverfahren unter Verwendung einer das piezo resistiven Material enthaltenden Paste und durch anschließendes Einbrennen der aufgebrachten Paste, und zwar mit einer Schichtdicke der Messstruktur 6 beispielsweise im Bereich zwischen 10 μm und 100 μm.
Obwohl die Krafteinwirkung auf die Messstruktur 6 ausschließlich senkrecht zur XY-Ebene dieser Messstruktur erfolgt und es aufgrund der im Vergleich zur Messstruktur 6 sehr viel größeren Materialhärte des Substrates 5 und der Isolierschicht 7 auch zu keiner Dehnung der Messstruktur 6 kommt, ergibt sich zwischen den beiden Anschlüssen 8 ein von der Kraft F abhängiger unterschiedlicher elektrischer Widerstand, der als Messgröße in der Mess- und Auswertelektronik 9 ausgewertet wird. Die von der Kraft F abhängige Widerstandsänderung der Messstruktur 6 wird bei der Kraftmesseinrichtung 1 ohne eine merkbare Bewegung des Funktionselementes 2 relativ zum Funktionselement 3 erreicht.
Die Kraftmesseinrichtung 1 ist beispielsweise als Kraftsensor ausgebildet, der überall dort eingesetzt werden kann, wo Kräfte F, insbesondere auch große Kräfte F gemessen bzw. diesen Kräften entsprechende Messsignale für unterschiedlichste Zwecke, beispielsweise für eine Überwachung, Steuerung, Regelung usw. benötigt werden. Bei Ausbildung der Kraftmesseinrichtung 1 als Kraftmesssensor ist das Funktionselement 3 mit Mitteln zur Sensorbefestigung, d. h. zur Befestigung z. B. an Maschinenteilen oder -elementen usw. ausgebildet. Das Sensorelement 4 ist im Inneren eines hauben- oder napfartigen Gehäuseteils 10 untergebracht, in dessen offene Seite das Funktionselement 3 mit seiner das Sensorelement 4 aufweisenden Seite eingeführt ist und das an dieser offenen Seite dicht mit dem Funktionselement 3 beispielsweise durch Verschweißen verbunden ist. Das haubenartige Gehäuseteil 10 ist aus einem geeigneten Werkstoff, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, z. B. Edelstahl oder Aluminium gefertigt, und zwar zumindest an seinem Boden 10.1 elastisch verformbar, an dem innen liegend das stempelartige Funktionselement 2 befestigt oder ausgebildet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Funktionselement 2 vollständig im Inneren des Gehäuseteils 10 aufgenommen, es kann aber auch durch den Boden 10.1 nach außen vorstehen.
Die 4 und 5 zeigen in schematischer Darstellung eine als Drucksensor ausgebildete Druckmesseinrichtung 11 zur Messung des Drucks eines flüssigen und/oder gasförmigen und/oder dampfförmigen Mediums. Die Druckmesseinrichtung 11 umfasst u. a. ein haubenartiges Gehäuseteil 12, welches aus einem geeigneten Werkstoff, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, z. B. Edelstahl oder Aluminium gefertigt ist, und zwar mit einer solchen Festigkeit, dass das Gehäuseteil 12 zumindest innerhalb des Messbereichs der Druckmesseinrichtung 11 formstabil ist, d. h. nicht verformt wird. Das haubenartige Gehäuseteil 12 ist an seiner offenen Seite mit einem Abschluss 13 verschlossen, der einen Anschluss zum Zuführen des unter Druck stehenden Mediums aufweist, sodass im Inneren des Gehäuseteils 12 ein Druckmessraum 14 gebildet ist. An einer planen und in einer XY-Ebene angeordneten Gegen- oder Innenfläche 7.1 im Bereich des Bodens 12.1 des Gehäuseteils 12 ist das Sensorelement 4 vorgesehen, und zwar derart, dass es mit seiner Messstruktur 6 gegen die zumindest im Bereich des Sensorelementes 4 elektrisch nicht leitend ausgeführte, d. h. beispielsweise von der Isolierschicht 7 gebildete plane Gegen- oder Innenfläche 7.1 anliegt, und zwar lediglich mit dem aktiven Bereich 6.1 der Messstruktur 6, während die Messstruktur 6 seitlich des aktiven Bereichs 6.1 von der Gegen- oder Innenfläche 7.1 und auch von Innenfläche des Bodens 12.1 beabstandet ist.
Durch Bohrungen 15 im Boden 12.1 sind die Anschlüsse 8 nach Außen geführt. Speziell auch im Bereich dieser Bohrungen 15 ist die Messstruktur 6 von der der Gegen- oder Innenfläche 7.1 und Innenfläche des Bodens 12.1 beabstandet. Am Rand des Substrates 5 ist der Spalt zwischen dem Substrat 5 und der Innenfläche des Bodenbereichs 12.1 durch eine ringförmige Dichtung 16 aus einem dauerelastischen Material dicht verschlossen. Die Bohrungen 15 dienen auch zur Entlüftung des die Messstruktur 6 aufnehmenden und durch die Dichtung 16 gegenüber dem Messraum 14 abgedichteten Raumes zwischen dem Substrat 5 und der Anlage- oder Gegenfläche 7.1. Der im Druckmessraum 14 herrschende Druck P wirkt über das Substrat 5 auf die sich an der Isolierschicht 7 bzw. an der Gegen- oder Innenfläche 7.1 abstützende Messstruktur 6 ein, und zwar wiederum in Richtung der Z-Achse, d. h. in einer Achsrichtung senkrecht zu den in XY-Ebenen angeordneten Oberflächenseiten des Substrates 5 sowie in einer Achsrichtung senkrecht zu der XY-Ebene der Messstruktur 6. Die Anschlüsse 8 sind mit der Auswert- und Messelektronik 9 verbunden, die zumindest teilweise Bestandteil der Druckmesseinrichtung 11 ist und in einem nicht dargestellten zusätzlichen Gehäuse der Druckmesseinrichtung 11 untergebracht ist, an welchem dann auch äußere Anschlüsse der Druckmesseinrichtung 11 vorgesehen sind.
Die 6 zeigt als weitere Ausführungsform eine Kraftmesseinrichtung 1a, die sich von der Kraftmesseinrichtung 1 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass das Sensorelement 4a als redundantes Sensorelement ausgeführt ist und hierfür zwei Messstrukturen 6, vorzugsweise zwei identische Messstrukturen 6 auf jeweils einem eigenen Substrat 5 aufweist. Die Substrate 5 sind mit ihren Messstrukturen 6 stapelartig übereinander angeordnet, und zwar in Richtung der Z-Achse, d. h. in Wirkungsrichtung der Kraft F auf einander folgend, sodass die Kraft F wiederum senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der jeweiligen Messstrukturen 6 bzw. zur Ebene der Oberflächenseiten der Substrate 5 auf beide Messstrukturen einwirkt. Die Messstrukturen 6 sind jeweils über Anschlüsse 8 bzw. 8a mit der Auswert- und Messelektronik 9 verbunden, und zwar u. a. zur Auswertung und/oder Verarbeitung der von den Messstrukturen gelieferten Messsignale. Diese Auswertung kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen, beispielsweise derart, dass das Ausgangssignal der Auswert- und Messelektronik 9 durch Mittelwertbildung oder Mittelung der von den Messstrukturen 6 gelieferten Signale erzeugt wird. Bevorzugt erfolgt die Auswertung der von den Messstrukturen 6 gelieferten Messsignale aber so, dass deren Größe und/oder zeitlicher Verlauf in der Auswert- und Messelektronik 9 verglichen und bei Abweichungen, die außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen, auf ein Fehlverhalten oder auf einen Defekt des Sensorelementes 4a geschlossen bzw. ein entsprechendes Fehlersignal in der Auswert- und Messelektronik 9 erzeugt wird. Da die Messstrukturen 6 ausschließlich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht mit der Kraft F beaufschlagt werden und keine Verformung der Träger oder Substrate 5 erfolgt, ist eine redundante Messung in optimaler Weise realisierbar.
Grundsätzlich sind durch die Ausbildung des Sensorelementes 4a mit wenigstens zwei parallelen oder im Wesentlichen parallelen und in Wirkungsrichtung der Kraft F gegeneinander versetzten sowie gleichzeitig mit dieser Kraft F beaufschlagten Messstrukturen 6 auch andere Eigenschaften für das Sensorelement 4a bzw. die Kraftmesseinrichtung 1a erreichbar, beispielsweise eine Erweiterung des Messbereichs des Sensorelementes 4a bzw. der Kraftmesseinrichtung 1a durch die Verwendung von Messstrukturen 6, die jeweils für unterschiedliche Teilbereiche des Messbereichs geeignet bzw. ausgebildet sind, wobei auch bei einer derartigen oder ähnlichen Ausführung der Messeinrichtung zur Erzielung von redundanten Messungen jeweils ein und dieselbe Messstruktur 6 zweifach vorgesehen ist.
Es versteht sich, dass das Sensorelement 4a mit den wenigstens zwei Messstrukturen auch bei der Druckmesseinrichtung 11 anstelle des dortigen Sensorelementes 4 mit den vorgenannten Vorteilen verwendet werden kann.
Die 7 und 8 zeigen in Darstellungen ähnlich den 4 und 5 eine Druckmesseinrichtung 11a, die sich von der Druckmesseinrichtung 11 der 4 und 5 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass die Messstruktur 6 auf ihrer Trägerfläche, die bei der dargestellten Ausführungsform wiederum von de Substrat 5 gebildet ist, so angeordnet ist, dass die Messstruktur 6 unmittelbar mit dem im Druckmessraum 14 vorhandenen Druckmedium bzw. mit dessen Druck beaufschlagt wird. Die Messstruktur 6 ist hierfür an der dem Druckmessraum 14 zugewandten Seite des die Trägerfläche bildenden Elementes, nämlich des Substrates 5 vorgesehen. In speziellen Fällen kann es notwendig sein, die Messstruktur 6 durch eine Schutzschicht abzudecken, beispielsweise gegenüber einem elektrisch leitenden und/oder aggressiven Druckmedium im Druckmessraum 14.
Bei der Druckmesseinrichtung 11a kann ebenfalls ein dem Sensorelement 4a entsprechendes Sensorelement mit wenigstens zwei Messstrukturen 6 verwendet sein, und zwar bevorzugt mit zwei in Richtung der Z-Achse gegeneinander versetzten und durch eine isolierende Träger- oder Trennschicht, beispielsweise durch ein Substrat 5 voneinander getrennten Messstrukturen 6. Eine Messstruktur ist dann so angeordnet, dass sie unmittelbar oder ggs. über eine Schutzschicht mit dem im Druckmessraum 14 vorhandenen Druckmedium bzw. mit dessen Druck beaufschlagt wird.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
So wurde vorstehend davon ausgegangen, dass das jeweilige Sensorelement 4 lediglich eine einzige Messstruktur 6 aufweist. Es besteht auch die Möglichkeit, das Sensorelement 4 mit mehreren Messstrukturen 6 auszubilden, beispielsweise auch mit mehreren, eine Widerstandsbrücke bildenden Messstrukturen 6, von denen dann wenigstens eine Messstruktur 6 mit der zu messenden Kraft oder mit dem zu messenden Druck oder mit hiervon abgeleiteten Kräften in der vorbeschriebenen Weise beaufschlagt wird. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, auf die Isolierschicht 7 zu verzichten, sofern das stempelartige Funktionselement 2 und/oder zumindest der Bodenbereich 12.1 des Gehäuseteils 12 aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt sind und/oder die Messstruktur 6 an ihrer dem Substrat 5 abgewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Schicht entsprechender Materialhärte versehen ist.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei der Kraftmesseinrichtung 1 die wenigstens eine Messstruktur 6 unmittelbar auf dem das Gegenlager bildende Funktionselement 3 bzw. auf die dortige Fläche 3.1 aufzubringen, sofern das Funktionselement 3 zumindest an der Fläche 3.1 elektrisch nicht leitend ausgeführt ist.
Weiterhin wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die wenigstens eine Messstruktur 6 an einer planen Oberflächenseite vorgesehen ist. Dies stellt zwar eine besonders fertigungsfreundliche Lösung dar, es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen die Messstruktur gewölbt an einer gewölbten Fläche vorgesehen ist. Allen Ausführungen ist aber gemeinsam, dass die Kraft- und/oder Druckeinwirkung auf die wenigstens eine Messstruktur 6 stets nur in einer Achsrichtung Z-Achse oder im Wesentliche in der Z-Achse erfolgt, die senkrecht auf die Ebene der Messstruktur 6 gerichtet ist.
Bezugszeichenliste

1, 1a: Kraftmesseinrichtung
2, 3: Funktionselement
2.1: Fläche bzw. Anlage- oder Gegenfläche
3.1: Fläche des Funktionselementes 3
4, 4a: Sensorelement
5: Substrat
6: Messstruktur
7: Isolierschicht
7.1: Fläche der Isolierschicht 7 bzw. Anlage- oder Gegenfläche
8: Anschluss
9: Auswert- und Messelektronik
10: napfartiges Gehäuseteil
10.1: Boden des Gehäuseteils 10
11, 11a: Druckmesseinrichtung
12: napfartiges Gehäuseteil
12.1: Boden des Gehäuseteils 12
13: Gehäuseteil
14: Druckmessraum
15: Bohrung
16: Dichtung
F: Kraft
P: Druck
X, Y, Z: Raumachsen

Claims

Elektrische Messeinrichtung zur Kraft- und/oder Druckmessung mit wenigstens einem Sensorelement (4, 4a) mit wenigstens einer auf eine Trägerfläche aufgebrachten Messstruktur (6), die zumindest teilweise aus einem piezo resistiven Material besteht, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Messeinrichtung (1, 11) in der Weise, dass eine zu messende Kraft und/oder ein zu messender Druck und/oder hiervon abgeleitete Kräfte ausschließlich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Trägerfläche orientiert auf die wenigstens eine Messstruktur (6) einwirken.
Elektrische Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Kraft und/oder der zu messender Druck und/oder hiervon abgeleitete Kräfte als Druckkräfte auf die wenigstens eine Messstruktur (6) einwirken.
Elektrische Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (4, 4a) oder dessen wenigstens eine Messstruktur (6) zwischen der Trägerfläche beispielsweise wenigstens eines Trägers (5) und einem eine Anlage- oder Gegenfläche (2.1, 7.1) bildenden Element (2, 7) angeordnet ist, und dass das die Anlage- oder Gegenfläche (2.1, 7.1) bildende Element (2, 7) sowie der wenigstens eine Träger (5) aus einem Material bestehen, dessen Materialhärte und/oder E-Modul wenigstens gleich, bevorzugt aber größer ist als die Materialhärte des die wenigstens eine Messstruktur (6) bildenden Materials.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Sensorelement (4, 4a) oder dessen wenigstens eine Messstruktur (6) auf der Trägerfläche beispielsweise wenigstens eines Trägers (5) so angeordnet ist, dass die zu messende Kraft und/oder der zu messender Druck und/oder hiervon abgeleitete Kräfte direkt auf die Messstruktur (6) einwirkt, und dass das ein die Trägerfläche bildendes Element oder der wenigstens eine Träger (5) aus einem Material bestehen, dessen Materialhärte und/oder E-Modul wenigstens gleich, bevorzugt aber größer ist als die Materialhärte des die wenigstens eine Messstruktur (6) bildenden Materials.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Kraft und/oder der zu messender Druck und/oder hiervon abgeleitete Kräfte auf die wenigstens eine Messstruktur (6) ohne Verformung oder im Wesentlichen ohne Verformung eines die Trägerfläche der Messstruktur (6) bildenden Trägers (5) einwirkt.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur in Dünnfilmtechnik hergestellt ist.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur (6) aus Ni, Cr, Ti, Pt, Cu und/oder W und/oder deren Legierungen in beliebigen Mischungsverhältnis und/oder deren Oxide und/oder Nitride und/oder aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise aus p-dotiertem Silizium oder n-dotiertem Silizium besteht.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Träger (5) oder das die Anlage- oder Gegenfläche (2.1, 7.1) bildenden Element (7) zumindest im Bereich der wenigstens einen Messstruktur (6) aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen, beispielsweise aus einer Keramik, z. B. aus einer Aluminiumoxid-Keramik und/oder aus einer Aluminiumnitrid-Keramik und/oder aus einer Siliziumnitrid-Keramik.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messstruktur (6) auf einer planen Trägerfläche z. B. des Trägers (5) angeordnet ist, beispielsweise zwischen dieser Trägerfläche und einer ebenfalls planen Anlage- oder Gegenfläche (2.1, 5, 7.1).
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Messstruktur (6) an ihrer der Trägerfläche und/oder dem Träger (5) zugewandten oder/oder an ihrer der Trägerfläche und/oder dem Träger (5) abgewandten Seite elektrisch nicht leitend ausgebildet und/oder mit einer elektrisch nicht leitenden Beschichtung versehen ist, vorzugsweise mit einer Beschichtung, deren Materialhärte und/oder E-Modul wenigstens gleich, bevorzugt aber größer ist als die Materialhärte des die wenigstens eine Messstruktur (6) bildenden Materials.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Messeinrichtung als Kraftmesssensor das wenigstens eine Sensorelement (4, 4a) zwischen einem ersten Gehäuseelement (3) und der an einem zweiten Gehäuseelement (10) oder an einem dort vorgesehenen stempelartigen Element (2) ausgebildeten Anlage- oder Gegenfläche (2.1) angeordnet ist.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Messeinrichtung als Drucksensor das wenigstens eine Sensorelement (4, 4a) in einem Druckmessraum (14) derart angeordnet ist, dass sich wenigstens eine Messstruktur (6) zwischen einem Träger (5) oder einem diesen Träger bildenden plattenförmigen Substrat (5) und der Anlage- oder Gegenfläche (7.1) angeordnet ist, die an der Innenfläche eines den Druckmessraum (14) begrenzenden Gehäuseteils (12) ausgebildet ist, und dass der Träger oder das diesen Träger bildende Substrat (5) die wenigstens eine Messstruktur (6) zum Druckmessraum (14) hin abdeckt.
Elektrische Messeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlüsse (8, 8a) der wenigstens einen Messstruktur (6) durch Öffnungen oder Bohrungen (15) in dem Gehäuseteil (12) hindurchgeführt sind, und dass die wenigstens eine Messstruktur (6) im Bereich der Öffnungen oder Bohrungen (15) von der Anlage- oder Gegenfläche (7.1) und/oder von einer Innenfläche des Gehäuseteils (12) beabstandet ist.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung der Messeinrichtung als Drucksensor das wenigstens eine Sensorelement (4, 4a) in einem Druckmessraum (14) derart angeordnet ist, dass sich wenigstens eine Messstruktur (6) an einer dem Druckmessraum (14) zugewandten Seite ihrer Trägerfläche oder ihres Trägers (5) angeordnet ist.
Elektrische Messeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4a) wenigstens zwei eigenständige oder elektrisch von einander getrennte Messstrukturen (6) besitzt, die auf wenigstens einer Trägerfläche derart aufgebracht sind, dass sie gleichzeitig mit der zu messenden Kraft und/oder mit dem zu messenden Druck und/oder mit hiervon abgeleiteten Kräften ausschließlich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Trägerfläche orientiert beaufschlagt werden.
Elektrische Messanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrukturen (6) im Sensorelement (4a) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu ihrer Trägerfläche gegeneinander versetzt vorgesehen sind, und dass zumindest zwischen zwei benachbarten Messstrukturen (6) wenigstens ein die Messstrukturen (6) elektrisch von einander trennender Träger (5) vorgesehen ist, und zwar unter Ausbildung eines Stapels aus den Messstrukturen (6) und dem wenigstens einen Träger (5).
Elektrische Messeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messstruktur (6) auf einer Oberflächenseite eines eigenständigen Trägers (5) vorgesehen ist und sich im Stapel die Messstrukturen (6) und Träger (5) abwechseln.