DE19716588A1 - Kraftsensor - Google Patents

Description

Kraft- und Drucksensoren lassen sich besonders anpassungsfähig in der Form und preisgünstig aus piezoresistiven, elektrischen Widerstandsschichten in einer der bekannten Schichttechniken herstellen, z. B. durch Aufschmelzen in Dickschichttechnik, durch Aufdampfen in Dünnschichttechnik, durch Aufkleben usw.

Bei einer Reihe bekannter Anordnungen, wie z. B. der EP 0 190270 B1 und der DE 38 18 190 A1, ist vorgesehen, die zu messenden Kräfte bzw. Drücke direkt auf die piezoresistive Widerstandsschicht einwirken zu lassen, wobei vorteilhafterweise der für die ebenfalls bekannten Kraftsensoren mit Dehnungsmeßelementen erforderliche Verformungskörper entfällt. Im Bereich der technischen Kraftmessung mit mechanisch hartem, vorwiegend aus Stahl gefertigtem Krafteinleitungsteil hat sich jedoch von den Anordnungen dieser Art bisher keine gegen die konkurrierenden Einrichtungen mit Verformungskörpern oder mit piezoelektrischen Scheiben durchgesetzt, weil entweder gar kein entsprechender Krafteinleitungskörper in den Anordnungen enthalten ist, wie z. B. in der DE 43 00 995 A1 u. a. oder der angegebene Krafteinleitungsteil für den genannten Anwendungsbereich nicht vorgesehen bzw. nicht geeignet ist.

Die Gründe dafür liegen in den speziellen Problemen, die auftreten, wenn ein aus vergleichsweise hartem und zähem Werkstoff wie Stahl bestehender Krafteinleitungsteil auf Widerstandsschichten drückt, die spröde sind oder unter mechanischer Spannung zu Rißbildung neigen. Wie aus K. Girkmann, Flächentragwerke, Springer-Verlag (1963) S. 72 u. a. hervorgeht, führen die eingeleiteten Kräfte in der Schicht unter den Kanten von Krafteinleitungskörpern zu Sprüngen bzw. Spitzen in der Normal- und Tangential-Spannungsverteilung, die umso steiler bzw. höher sind, je scharfkantiger der Krafteinleitungsteil ist und je mehr die Querdehnung an der Krafteinleitungsfläche durch Reibung zwischen dem Krafteinleitungskörper und der Unterlage behindert wird. In der Unterlage treten dabei unter dem Krafteinleitungskörper Druckspannungen und neben dem Krafteinleitungskörper Zugspannungen auf. Um unerwünschte Spannungen zu vermeiden, kann man die sensitiven Elemente, wie z. B. in den DE 33 33 285 A1 und DE 41 42 141 A1, im Kraftnebenschluß anordnen, wodurch aber nachteilig die Empfindlichkeit der Anordnung herabgesetzt wird.

Die schmalen Randzonen in den Widerstandsschichten direkt unter und neben den Kanten eines Krafteinleitungsteils, wie er z. B. in der DE 39 12 280 A1 beschrieben ist, erfahren jedenfalls erhebliche mechanische Beanspruchungen, die im Zugspannungsbereich dicht neben den Kanten des Krafteinleitungskörpers besonders nachteilig sind, weil die Zugspannungsfestigkeit von Dickschichtmaterial um mehr als eine Zehnerpotenz kleiner ist als seine Druckfestigkeit. Bei andauernden dynamischen Belastungen beginnt in diesen Randzonen die Rißbildung in der Widerstandsschicht, die sich ungünstig auf die Langzeitstabilität des Sensors auswirkt.

Aus der DE 38 18 191 A1 und der DE 42 21 426 C1 sind ferner Kraftsensoren bekannt, bei denen der Krafteinleitungskörper auch auf die Bereiche der Widerstandsschichten drückt, die die Leiterbahnen überlappen. Da in diesem Überlappungsbereich die Widerstandsschicht elektrisch parallel zur Leiterbahn liegt, bewirkt der dort eingeleitete Kraftanteil eine Widerstandsänderung, die nicht festgestellt wird, d. h. also einen nicht mitgemessenen Kraftnebenschluß. Außerdem ist bei diesen Anordnungen von Nachteil, daß die im Sensorelement aufgrund der dreidimensionalen Elastizität auftretenden Querdehnungen (senkrecht zur Kraftrichtung) zu Querkräften auf die Leiterbahnen führen und andererseits innerhalb der Widerstandsbahnen Querdehnungsbehinderungen durch die eingrenzenden Leiterbahnen entstehen.

Aus der DE 42 21 426 C1 ist ferner eine Variante eines Drucksensors bekannt, bei der die Widerstandsschicht die Leiterbahnen und darüber hinaus einen zwischen diesen befindlichen Auflagebereich überdeckt, welcher höher als die Leiterbahnen ist. Durch das Überstehen des Krafteinleitungskörpers über den Auflagebereich wird erreicht, daß dessen Kanten nicht störende oder schädigende Wirkungen auf die Widerstandsschicht ausüben können. Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, daß ein eigener Auflagebereich gefertigt werden muß, dessen Höhe die der Leiterbahnen so deutlich übersteigt, daß es bei allen denkbaren Belastungen nicht zu einem Aufsetzen des Krafteinleitungskörpers auf den Leiterbahnen kommt. Der Krafteinleitungskörper bekommt hierdurch einen erhöhten Abstand zum Trägerkörper, welcher die Stabilitätseigenschaften der Anordnung verschlechtert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsensor anzugeben, bei dem Kraftnebenschlüsse, Querdehnungsbehinderungen und Rißbildung wegen Kanteneinwirkung der Krafteinleitungskörper durch geeigneten Aufbau so weit wie möglich ausgeschlossen werden. Ferner soll die Meßpräzision des Kraftsensors verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch Kraftsensoren nach den selbständigen Ansprüchen 1, 4, 6, 10 und 14 gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben.

Wie bei dem bekannten Stand der Technik enthalten die erfindungsgemäßen Kraftsensoren einen Träger, der dem Aufbau des gesamten Elementes dient, sowie mindestens eine drucksensitive Schicht, die über dem Träger angeordnet ist und die mit Leiterbahnen verbunden ist. Dabei können zwischen Träger und Schicht ggf. weitere Materialschichten angeordnet sein. Ferner enthalten die Kraftsensoren einen Krafteinleitungsstempel mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die im Auflagebereich mit der Schicht in Verbindung steht. Der Krafteinleitungsstempel kann je nach Anforderung der Anwendung nahezu beliebige Form haben. Über eine seiner Außenflächen, die Kontaktfläche, hat er (direkt oder über Zwischenschichten) Verbindung zur drucksensitiven Schicht, wobei der Kontakt allerdings nur über den Innenbereich der Kontaktfläche stattfindet, d. h. nicht über die Kanten. Hierdurch werden Beschädigungen der drucksensitiven Schicht durch die Kanten vermieden. Der erfindungsgemäße Kraftsensor ist dadurch gekennzeichnet, daß die dem Krafteinleitungsstempel zugewandte Oberfläche der Schicht nutenförmige Vertiefungen aufweist, über welchen die Kanten der Kontaktfläche berührungsfrei liegen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es also nicht erforderlich, einen Auflagebereich vorzusehen, der höher als die Leiterbahnen ist. Vielmehr kann der Kraftsensor mit einer drucksensitiven Schicht gebaut werden, die eine - bis auf die Nuten - einheitliche, gleichmäßige Höhe hat.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Kraftsensors sind auf dem Träger ein (ein- oder mehrlagiger) erhöhter Auflagebereich und mit einem Zwischenraum von diesem beabstandet die Leiterbahnen angeordnet, wobei Leiterbahnen, Zwischenraum und Auflagebereich von der Schicht derart überdeckt sind, daß über dem Zwischenraum die nutenförmigen Vertiefungen gebildet werden.

Vorzugsweise ist der Auflagebereich dabei einstückig aus dem Material des Trägers gebildet.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein gattungsgemäßer Kraftsensor dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterbahn ganzflächig zwischen Krafteinleitungsstempel und drucksensitiver Schicht und/oder eine (andere) Leiterbahn ganzflächig zwischen dieser Schicht und dem Träger angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung fließt der elektrische Strom, der durch die Leiterbahn in die Schicht geleitet wird, orthogonal durch die Schicht, d. h. in der Regel in Richtung der Einwirkung der Druckkraft. Vorzugsweise wird dabei mindestens eine der Leiterbahnen durch das elektrisch leitfähige Material des Krafteinleitungsstempels oder des Trägers gebildet. Zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten der Oberflächen geschieht dies vorzugsweise unter Zwischenschaltung von geeigneten Ausgleichs­ schichten.

Eine andere unabhängige Ausgestaltung der Erfindung sieht für einen gattungsgemäßen Kraftsensor vor, daß der Krafteinleitungsstempel an dem Innenbereich einer zweiten durch Kanten begrenzten Kontaktfläche mit einer zweiten drucksensitiven Schicht in Verbindung steht, wobei die zweite Schicht über einem zweiten Träger angeordnet ist und mit elektrischen Leiterbahnen verbunden ist. Bei diesem Sensor handelt es sich also um eine "Sandwich"- Bauweise, bei welcher an einem Krafteinleitungsstempel gleich zwei aktive Meßeinheiten ausgebildet sind. Der Krafteinleitungsstempel hat dabei in der Regel sehr viel kleinere Abmessungen als bei den "einfachen" Kraftsensoren, so daß die beiden Meßeinheiten räumlich eng beieinander liegen.

Meßtechnisch wird es dabei in der Regel so aussehen, daß über den zweiten Träger die Einkopplung der äußeren, zu messenden Kraft erfolgt. Die mechanische und elektrische Kopplung von zwei Meßeinheiten bringt erhebliche Präzisionsvorteile. Denkbar ist auch, die "Sandwich"-Bauweise mehrfach anzuwenden, so daß an dasselbe Zwischenelement nicht nur zwei, sondern mehrere Sensoren-Untereinheiten angekoppelt sind.

Die einzelnen Meßeinheiten können für sich betrachtet einen Aufbau haben, wie er oben für "einfache" Kraftsensoren beschrieben wurde. Insbesondere ist es möglich, einen bezüglich des Krafteinleitungsstempels symmetrischen Aufbau zu wählen.

Eine andere Ausgestaltungsform der "Sandwich"-Bauweise eines Kraftsensors unterscheidet sich von der ersten dadurch, daß die Rollen von Träger und Krafteinleitungsstempel vertauscht sind. Diese Form ist dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger eine zweite drucksensitive Schicht angeordnet ist, die mit Leiterbahnen verbunden ist, und daß ein zweiter Krafteinleitungsstempel an dem Innenbereich einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche mit der zweiten drucksensitiven Schicht in Verbindung steht. Der Träger, an dem zwei Meßeinheiten ausgebildet sind, ist in der Regel klein ausgebildet, so daß die Meßeinheiten räumlich eng zusammenliegen.

Die (mindestens) zwei Meßeinheiten können wiederum für sich betrachtet einen Aufbau haben, wie er oben für "einfache" Kraftsensoren beschrieben wurde. Insbesondere ist es möglich, einen bezüglich des Trägers symmetrischen Aufbau zu wählen.

Nach einer weiteren unabhängigen Ausgestaltung der Erfindung ist der gattungsgemäße Kraftsensor dadurch gekennzeichnet, daß unter der drucksensitiven Schicht mindestens eine weitere drucksensitive Schicht angeordnet ist, die mit Leiterbahnen verbunden ist, wobei die genannten Schichten durch isolierende Zwischenschichten getrennt sind. Hierbei liegt also eine "Sandwich"-Bauweise bezüglich der drucksensitiven Schichten vor, während Träger und Krafteinleitungsstempel jeweils nur einmal vorhanden sind. Auch hierdurch kann eine erhebliche Präzisionssteigerung des Kraftsensors erzielt werden.

Die drucksensitiven Schichten der beschriebenen Kraftsensoren können aus einem Material bestehen, das in Abhängigkeit vom einwirkenden Druck ein elektrisches Signal liefert. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein piezoelektrisches oder piezoresistives Material oder ein Halbleitermaterial handeln. Vorteilhafterweise ist dies eines, das serienmäßig in der Halbleiterfertigung eingesetzt wird, wie z. B. eine Scheibendiode.

Bei den Kraftsensoren können ferner der Krafteinleitungsstempel und/oder der Träger mit einer isolierenden Beschichtung versehen sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die genannten Elemente selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.

Für die Beschichtung können isolierende Verbindungsmaterialien wie z. B. Kleber mit zeitabhängigem Aushärteprozeß oder Glas-Keramikfolien, sogenannte "Ceramic-tapes" benutzt werden, damit vor dem Aushärten bzw. Brennen vorteilhafterweise die gesamte Sensor-Anordnung planparallel aufeinandergepreßt werden kann.

Ebenso können bei der "Sandwich"-Bauweise als Materialien des mittigen Elementes (Träger oder Krafteinleitungsstempel) isolierende Verbindungsmaterialien wie z. B. Kleber mit zeitabhängigem Aushärteprozeß oder Glas-Keramikfolien, sogenannte "Ceramic-tapes" benutzt werden. Auch hierbei kann vor dem Aushärten bzw. Brennen vorteilhafterweise die gesamte Sensor-Anordnung planparallel aufeinandergepreßt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Kraftsensor mit nutenförmigen Vertiefungen in der drucksensitiven Schicht,

Fig. 2 zeigt zwei Zwischenstufen der Herstellung des Kraftsensors,

Fig. 3 zeigt eine Variante mit an den Träger angeformtem Auflagebereich,

Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor mit orthogonaler Stromführung,

Fig. 5 zeigt die "Sandwich"-Bauweise mit mittigem Krafteinleitungsstempel und nutenförmigen Vertiefungen,

Fig. 6 zeigt die "Sandwich"-Bauweise mit mittigem, weit überstehenden Krafteinleitungsteil,

Fig. 7 zeigt die "Sandwich"-Bauweise mit mittigem Träger,

Fig. 8 zeigt ein Sensorelement mit unterlegter Leiterbahn,

Fig. 9 zeigt Vergleichsmessungen von ein-/zweiseitigen Sensoren.

Fig. 1 zeigt einen Kraftsensor mit einer sensitiven Widerstandsschicht 1, einer Unterlegschicht 2, Leiterbahnen 3, Träger - sogenanntes Substrat - 4 und Krafteinleitungsstempel 5, sowie isolierende Beschichtungen 7a, b für den Fall, daß Substrat und Krafteinleitungsstempel aus leitfähigem Material wie z. B. Stahl bestehen.

Fig. 2 zeigt die Anordnung von Leiterbahnen 3 mit den Lötkontaktflächen 8 auf den Leiterbahnenden und Unterlegschicht 2 auf dem Träger 4 sowie die Schichtenfolge mit der sensitiven Widerstandsschicht 1 über der Unterlegschicht 2 und überlappend auf den Leiterbahnen 3, ferner das mögliche, zusätzliche Aufbringen von elektrischen Bauelementen wie z. B. von Vergleichswiderständen ohne Unterlegschicht 9 auf dem Träger 4.

Der ebene Träger besteht entweder ganz aus elektrisch isolierendem Material, z. B. Al₂O₃, oder aus einer mit elektrisch isolierendem Material 7b vorbeschichteten Grundplatte. Auf diesen Träger werden zunächst die Unterlegschicht 2 und die Leiterbahnen 3 aufgetragen, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Leiterbahnen dienen zum Anschluß des Sensors mit den Leiterbahnenden über Lötpunkte 8 durch Kabelanschluß an die äußere Meßschaltung. Wie Fig. 2 zeigt, wird auf den Träger mit Leiterbahnen und Unterlegschicht dann die piezoresistive Widerstandsschicht 1 aufgebracht und zwar so, daß durch Überlappung mit den Leiterbahnen ein Kontakt zu diesen entsteht.

Fig. 1 zeigt, wie schließlich der Krafteinleitungskörper 5 mit einer durch einen Pfeil angedeuteten Kraft F auf die piezoresistive Schicht drückt und eine entsprechende Gegenkraft G hervorruft. Falls die Krafteinleitungskörper nicht aus elektrisch isolierendem Material bestehen, müssen sie vorher mit elektrisch isolierendem Material 7a vorbeschichtet sein, da sie sonst die Widerstandsschicht elektrisch überbrücken würden.

Damit die Kanten des Krafteinleitungsstempels freiliegend sind, muß der Krafteinleitungsstempel bei mittiger Lage in seiner Abmessung c immer kleiner sein als d + 2a (d = Breite der kontaktierten Schicht; a = Breite der Vertiefungsnut), damit er nicht auf den überlappten Leiterbahnen aufliegt. Die aufgetragenen Schichten sollen bei allen Beschichtungsverfahren im Bereich d der Krafteinwirkung planparallel zum Träger verlaufen, was je nach Beschichtungsverfahren durch Anpressen mit Hilfe der Krafteinleitungsplatte oder einer Bearbeitungsplatte erreicht wird, solange die Schichten noch nicht ausgehärtet bzw. gebrannt sind.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsvariante mit einer Grundplatte 4, die bereits das notwendige Profil mit erhöhtem Auflagebereich der Breite d aufweist.

Dabei ist der Träger 4 z. B. durch Ätzen, Fräsen, Schleifen, Pressen usw. so geformt, daß keine Unterlegschicht erforderlich wird. Hier liegt zwischen Krafteinleitungsstempel 5 und Träger lediglich die sensitive Widerstandsschicht 1.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung mit einer sensitiven Widerstandsschicht 1, die parallel zur Kraftrichtung vom elektrischen Strom durchflossen wird. Die sensitive Schicht 1 liegt hier großflächig zwischen den Leiterbahnen 3. Wenn die Grundplatte und die Krafteinleitungsplatte leitfähig sind, ist bei dieser Anordnung grundsätzlich auch eine direkte Kontaktierung zu diesen, ggfls. mittels ausgleichender, leitfähiger Zwischenschichten 3a, b und 3c, d möglich.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung in Sandwich-Bauweise mit zwei piezoresistiven Sensoren in mechanischer Reihenschaltung. Sie entsteht durch spiegelbildliche mechanische Reihenanordnung zweier Sensoren der Bauart nach Fig. 1. Dabei ist der Krafteinleitungsstempel 5 zu einem Zwischenstempel geworden, der die Kraft zwischen der oberen sensitiven Schicht 1b und der unteren sensitiven Schicht 1a überträgt. Die beiden sensitiven Widerstandsschichten können vorteilhafterweise zu einer sogenannten doppelt empfindlichen Brückenschaltung ergänzt werden.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung in Sandwich-Bauweise mit zwei piezoresistiven Sensoren in mechanischer Reihenschaltung. Sie entsteht durch spiegelbildliche mechanische Reihenanordnung zweier Sensoren einer Bauart nach dem Stand der Technik, bei der der Krafteinleitungsstempel weit ausladend über die Kontaktfläche zur drucksensitiven Schicht übersteht. Die Krafteinleitungsplatte ist hier zu einer Zwischenplatte 5 geworden, die die Kraft zwischen dem oberen sensitiven Bereich 4b und dem unteren sensitiven Bereich 4a überträgt. Auch hier ist dann eine doppelt empfindliche Brückenschaltung möglich.

Fig. 7 zeigten a und b zeigt zwei Ausführungen mit spiegelbildlich zweiseitig aufgetragener Sensoranordnung auf Ober- und Unterseite einer Grundplatte 4. Hierbei entspricht die Vorrichtung gemäß Fig. 7b einer Umkehrung des Prinzips gemäß Fig. 6.

Bei Verwendung von Blechen für die Grundplatten 4 kann der erwünschte Effekt der Stauchung infolge orthogonaler Druckkraft im piezoresistiven Material durch Quereffekte aufgrund von Rückbiegung der Blechwölbungen überlagert werden. Wölbungen entstehen beispielsweise beim Erkalten nach einseitigem Auftragen der vorgeschlagenen Beschichtung wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Blech und Beschichtungsmaterial. Andere Ursachen für Blechverwölbungen, die unabhängig von der Beschichtung vorhanden sind, treten z. B. in gewalzten Blechen in Folge des Walzvorganges auf und sind u. a. von der Walzrichtung abhängig.

Leitet man die Kraft über Krafteinleitungsstempel oder -platte in einen Sensor ein, der durch einseitige Beschichtung auf einem Blech gefertigt wurde, so bildet sich zunächst die Blechwölbung zurück. Dabei entstehen zusätzliche Stauchungen bzw. Dehnungen in den Schichten an der Ober-, bzw. Unterseite der Grundplatte. Bei von Null aus ansteigender Kraft ist infolgedessen zunächst eine große Widerstandsänderung im piezoresistiven Material festzustellen, die stark streut und von Walzrichtung und den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Blech und Keramik abhängt (Diagramm 1 in Fig. 9; horizontale Achse = Kraft [N], vertikale Achse = relative Widerstandsänderung; einseitiger Kraftsensor auf 2 mm Blech).

Mit zunehmender Kraft überwiegt der rein orthogonale Effekt und die Empfindlichkeit geht zurück. Diese Sensorausführung ist wegen der starken Nichtlinearität und schlechten Reproduzierbarkeit sehr ungünstig.

Mit Blechen als Grundplatten, die gemäß Fig. 7 auf Ober- und Unterseite je mit dem spiegelbildlich gleichen Sensoraufbau beschichtet wurden, sind die bei einseitiger Beschichtung auftretenden zusätzlichen Blechverwölbungen nicht mehr zu beobachten. Ferner lassen sich die Widerstandsänderungen, die durch Rückbiegen von weiteren Verwölbungen anderer Ursache entstehen, dadurch eliminieren, daß ein Sensor auf der Oberseite mit einem spiegelbildlich auf der Unterseite angeordneten Sensor in Reihe oder parallel geschaltet wird. Derartig aufgebaute und verschaltete Sensoren zeigen die vorher beschriebenen Quereffekte nicht mehr (Diagramm 2 in Fig. 9; zweiseitiger Kraftsensor auf 1,5 mm Blech).

Durch die Einhaltung eines hinreichenden Abstandes a (Fig. 1 bis 3 und Fig. 5 bis 7) derart, daß auch bei Höchstlast a nicht zu Null werden kann, ist sichergestellt, daß Querdehnungsbehinderungen weitgehend unterbunden sind.

Die Kanteneinwirkung der Krafteinleitungskörper auf die sensitiven Widerstandsschichten wird durch mittige Lage und geeignete Längsabmessungen der Krafteinleitungskörper vermieden, deren Längen c in Fig. 1, 3 und 7, bzw. ein Fig. 4, f in Fig. 5, g in Fig. 6, h in Fig. 8 auch bei Höchstlast größer sind als die Länge d des erhöht liegenden Bereichs der piezoresistiven Widerstandsbahnen, was sinngemäß auch für die Tiefenabmessungen gilt.

Um Kraftnebenschlüsse über die Bereiche der Widerstandsschichten zu vermeiden, die die Leiterbahnen überlappen, sind bei den Ausführungen mit Krafteinleitungsstempel die Längen c dieser Stempel 5 sowie die Länge f des Zwischenstempels 5 bei Sandwich-Bauweise immer kleiner als d + 2a. Diese Begrenzung ist natürlich sinngemäß auch für die Tiefenabmessung erforderlich. Bei den Ausführungen mit Krafteinleitungsplatten gewährleistet die Einhaltung eines genügend großen Abstandes b (Fig. 4, 5, 6 und 7), der auch bei Höchstlast nicht Null werden darf, daß kein Kraftnebenschluß über die von Widerstandsschichten überlappten Bereiche der Leiterbahnen möglich ist.

Die Unterlegschicht 2 kann grundsätzlich in allen Ausführungen, in denen sie verwendet wird, aus ein- oder mehrlagigem elektrisch isolierendem Material bestehen. Sie kann auch ein- oder mehrlagig aus dem gleichen piezoelektrischen Widerstandsmaterial bestehen wie die sensitive Schicht 1. Das Doppeltdrucken von Widerständen ist z. B. in der Dickschichttechnik ein übliches Verfahren. Im letzten Fall sind die Schichten 1 und 2 elektrisch parallelgeschlossen, so daß ihr Gesamtwiderstand niedriger wird als der Widerstand der Schicht 1 alleine.

Schließlich kann die Unterlegschicht aber auch aus zwei oder mehr Schichten verschiedenen Materials bestehen, z. B. aus einer Leiterbahn und einer darübergelegten isolierenden Schicht. Das hat den Vorteil, daß die unterlegte Leiterbahn in Platz sparender Weise zugleich als Anschlußleitung für den Sensor dient, wie das Anwendungsbeispiel in Fig. 8 zeigt. Das hier gezeigte Element kann wie dargestellt einfach oder in Verbindung mit der Sandwich- Bauweise mehrfach, insbesondere doppelt verwendet werden. Die Leiterbahn 3a, die als Zuleitung zu dem räumlich entfernteren Anschluß des sensitiven Widerstandes führt, ist hier unter eine isolierende Dielektrikums-Schicht 7 gelegt. Wenn beim Beschichten die Widerstandsschicht 1 die freie Kontaktfläche überdeckt, wird die elektrische Durchverbindung mit der Leiterbahn hergestellt. Auf diese Weise können vorteilhafterweise Sensorelemente mit beiden elektrischen Anschlußkontakten 8 an einer Stirnseite hergestellt werden, was besonders für Matrixanordnungen günstig ist.

Bezugszeichenliste

1 drucksensitive Schicht
2 Auflagebereich
3 Leiterbahn
4 Träger (Grundplatte)
5 Krafteinleitungsstempel, Krafteinleitungsplatte
6 Vertiefungsnut
7 Isolierschicht
8 Lötpunkte
9 Vergleichswiderstände
a Breite der Vertiefungsnut
b Abstand Widerstandsschicht über Leiterbahn zu Krafteinleitungsstempel
c, e, f, g, h Durchmesser des Krafteinleitungsstempels
d Kontaktbreite zur Schicht
F Kraft
G Gegenkraft

Claims (24)

1. Kraftsensor, enthaltend

• a) einen Träger (4),
• b) eine drucksensitive Schicht (1), die über dem Träger (4) angeordnet ist und die mit Leiterbahnen (3) verbunden ist,
• c) einen Krafteinleitungsstempel (5) mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die im Auflagebereich mit der Schicht (1) in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet, daß die dem Krafteinleitungsstempel (5) zugewandte Oberfläche der Schicht (1) nutenförmige Vertiefungen (6) aufweist, über welchen die Kanten der Kontaktfläche berührungsfrei liegen.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (4) ein ein- oder mehrlagiger erhöhter Auflagebereich (2) und mit einem Zwischenraum von diesem beabstandet die Leiterbahnen (3) angeordnet sind, wobei Leiterbahnen (3), Zwischenraum und Auflagebereich (2) von der Schicht (1) derart überdeckt sind, daß über dem Zwischenraum die nutenförmigen Vertiefungen (6) gebildet werden.

3. Kraftsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auflagebereich (2) einstückig aus dem Material des Trägers (4) gebildet ist.

4. Kraftsensor, enthaltend

• a) einen Träger (4),
• b) eine drucksensitive Schicht (1), die über dem Träger (4) angeordnet ist und die mit Leiterbahnen (3) verbunden ist,
• c) einen Krafteinleitungsstempel (5) mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die im Auflagebereich mit der Schicht (1) in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Leiterbahn (3) ganzflächig zwischen Krafteinleitungsstempel (5) und Schicht (1) und/oder eine Leiterbahn (3) ganzflächig zwischen Schicht (1) und Träger (4) befindet.

5. Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Leiterbahnen (3) durch das elektrisch leitfähige Material des Krafteinleitungsstempels (5) oder des Trägers (4) gebildet wird, vorzugsweise unter Zwischenschaltung von Ausgleichsschichten (3a, b; 3c, d).

6. Kraftsensor, enthaltend

• a) einen Träger (4a),
• b) eine drucksensitive Schicht (1a), die über dem Träger (4a) angeordnet ist und die mit Leiterbahnen (3) verbunden ist,
• c) einen Krafteinleitungsteil (5) mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die im Auflagebereich mit der Schicht (1a) in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet, daß der Krafteinleitungsteil (5) im Auflagebereich einer zweiten durch Kanten begrenzten Kontaktfläche mit einer zweiten drucksensitiven Schicht (1b) in Verbindung steht, wobei die zweite Schicht (1b) über einem zweiten Träger (4b) angeordnet ist und mit elektrischen Leiterbahnen verbunden ist.

7. Kraftsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus erstem Träger (4a), erster Schicht (1a) und Krafteinleitungsteil (5) gebildete Untereinheit einen Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hat.

8. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus zweitem Träger (4b), zweiter Schicht (1b) und Krafteinleitungsteil (5) gebildete Untereinheit einen Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hat.

9. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er bezüglich einer durch den Krafteinleitungsteil (5) gehenden Ebene symmetrisch aufgebaut ist.

10. Kraftsensor, enthaltend

• a) meinen Träger (4),
• b) eine drucksensitive Schicht (1a), die über dem Träger (4) angeordnet ist und die mit Leiterbahnen (3) verbunden ist,
• c) einen Krafteinleitungsteil (5a) mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die im Auflagebereich mit der Schicht (1a) in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (4) eine zweite drucksensitive Schicht (1b) angeordnet ist, die mit Leiterbahnen verbunden ist, und daß ein zweiter Krafteinleitungsteil (5b) im Auflagebereich einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche mit der zweiten drucksensitiven Schicht (1b) in Verbindung steht.

11. Kraftsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Träger (4), erster Schicht (1a) und erstem Krafteinleitungsteil (5a) gebildete Untereinheit einen Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hat.

12. Kraftsensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Träger (4), zweiter Schicht (1b) und zweitem Krafteinleitungsteil (5b) gebildete Untereinheit einen Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hat.

13. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er bezüglich einer durch den Träger (4) gehenden Ebene symmetrisch aufgebaut ist.

14. Kraftsensor, enthaltend

• a) einen Träger,
• b) eine drucksensitive Schicht, die über dem Träger angeordnet ist und die mit Leiterbahnen verbunden ist,
• c) einen Krafteinleitungsstempel mit einer durch Kanten begrenzten Kontaktfläche, die an ihrem Innenbereich mit der Schicht in Verbindung steht,

dadurch gekennzeichnet, daß unter der Schicht mindestens eine weitere drucksensitive Schicht angeordnet ist, die mit Leiterbahnen verbunden ist, wobei die genannten Schichten durch isolierende Zwischenschichten getrennt sind.

15. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die drucksensitive Schicht (1) aus einem piezoelektrischen, piezoresistiven Material oder einem Halbleitermaterial besteht.

16. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Krafteinleitungsstempel (5) und/oder Träger (4) mit einer isolierenden Beschichtung (7a, 7b) versehen sind.

17. Kraftsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Beschichtung isolierende Verbindungsmaterialien wie z. B. Kleber mit zeitabhängigem Aushärteprozeß oder Glas-Keramikfolien, sogenannte "Ceramic­ tapes" benutzt werden.

18. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Krafteinleitungsstempel (5) isolierende Verbindungsmaterialien wie z. B. Kleber mit zeitabhängigem Aushärteprozeß oder Glas- Keramikfolien, sogenannte "Ceramic-tapes" benutzt werden.

19. Kraftsensor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Träger (4) isolierende Verbindungsmaterialien wie z. B. Kleber mit zeitabhängigem Aushärteprozeß oder Glas-Keramikfolien, sogenannte "Ceramic-tapes" benutzt werden.