DE4300995A1 - Kraftsensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Kraftsensor und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor.
Kraftsensoren werden zur Messung von Kräften verwendet, wo
bei eine Umwandlung der zu messenden Kraft in eine elektri
sche Größe (Widerstandsänderung, Spannungsänderung, Kapazi
tätsänderung oder dgl.) erfolgt. Zur besseren Auswertung
und zur Temperaturkompensation wird dabei ein Kraftsensor,
der seinen Widerstand oder seine Kapazität ändert, in eine
Gleichspannungs- bzw. Wechselspannungsbrücke geschaltet.
Bei herkömmlichen Kraftsensoren (siehe Fig. 7 und 8) wird
ein Widerstandselement 3′ auf ein Substrat 1′ aufgebracht
und an zwei einander gegenüberliegenden Kanten über An
schlußstreifen 5′ und 6′ kontaktiert. Wenn eine Kraft
senkrecht zur Substratebene auf das flächige Widerstands
element 3′ (in Richtung der Z-Achse) eingeleitet wird,
verformt sich das Widerstandselement und verändert seinen
Widerstand. Diese Änderung wird dann ausgewertet.
Allerdings hat diese Anordnung einen Nachteil. Die Last
wechsel führen zu Materialermüdungen und ggf. zur Zerstö
rung des Widerstandselementes bzw. des Substrates oder zu
Unterbrechungen zwischen dem Widerstandselement und den An
schlußstreifen.
Aus der DE-OS 38 18 189 und der DE-OS 38 18 191 sind Senso
ren bekannt, bei denen auf einem Träger ein Dickschichtwi
derstand aufgedruckt ist. Der Dickschichtwiderstand weist
an zwei einander gegenüberliegenden Kanten jeweils An
schlußkontakte auf, mit denen das Meßsignal zu Ableitungen
geführt wird. Dabei liegt die Kontaktstelle zwischen den
Anschlußkontakten und den Ableitungen außerhalb des direk
ten Kraftflusses der zu messenden Kraft. Ein von oben auf
das Widerstandselement aufgepreßter elektrisch nicht leiten
der Krafteinleitungsteil dient dazu, den elektrischen Wi
derstand des Widerstandselementes zu verändern, wenn eine
Kraft auf den Kraftsensor von oben eingeleitet wird.
Bei diesen Anordnungen besteht das Problem, daß die Kraft
manchmal nicht vollständig in das Widerstandselement einge
leitet wird, sondern ein Nebenpfad für die zu messende
Kraft gebildet wird, wenn z. B. das Krafteinleitungsteil an
den seitlichen Anschlußkontakten aufliegt. Dadurch wird das
Meßergebnis verfälscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den ein
gangs beschriebenen Kraftsensoren geschilderten Probleme zu
überwinden, und einen Kraftsensor bereitzustellen bzw. ein
Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem eine ge
naue Messung der eingeleiteten Kraft möglich ist.
Dazu weist der erfindungsgemäße Kraftsensor folgende Merk
male auf: ein Substrat, eine erste elektrische Kontakt
schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine elek
trische Widerstandsschicht, die auf der ersten elektrischen
Kontaktschicht angeordnet ist und diese vollständig über
deckt, und eine zweite elektrische Kontaktschicht, die auf
der elektrischen Widerstandsschicht angeordnet ist, wobei
die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontakt
schicht nicht größer sind als die der ersten elektrischen
Kontaktschicht und die zweite elektrische Kontaktschicht
über der ersten elektrischen Kontaktschicht ausgerichtet
angeordnet ist.
Durch diese Anordnung ist es möglich, die Kraft direkt auf
die freie Oberfläche der zweiten (oberen) elektrischen Kon
taktschicht (in der Z-Achse) einzuleiten, wobei keine
Kraftanteile seitlich an der Widerstandsschicht vorbei
geleitet und somit nicht erfaßt werden.
Dies bedeutet, daß es keine wesentliche Rolle spielt, wo
die Kraft eingeleitet wird, solange die Kraft auf die Flä
che der zweiten (oberen) Kontaktschicht eingeleitet wird.
Als Widerstandselement für die Kraftmessung kann dabei ein
Dickfilm-Widerstand verwendet werden, bei dem die Wider
standsänderung aufgrund der Dickenänderung bzw. der Verfor
mung des Widerstandselementes zwischen den beiden Kontakt
schichten, die ebenfalls im Kraftpfad liegen, erfaßt wird.
Der so gestaltete Kraftsensor ist sehr kompakt und bildet
mit dem Substrat eine homogene Einheit. Auf dem Substrat
können noch andere elektronische Bauteile, wie z. B. die
anderen Widerstände der Meßbrücke, Signalverstärker etc. in
räumlicher Nähe zu dem Sensorwiderstand untergebracht wer
den, was u. a. hinsichtlich der Temperaturempfindlichkeit
und der Störsignalempfindlichkeit von Vorteil ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Kraft in der Z-Achse in senkrechter Richtung auf die freie
Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht ausüb
bar, und das Substrat ist zumindest im Bereich der ersten
und der zweiten elektrischen Kontaktschicht sowie der Wi
derstandsschicht auf einer durch die zu messende Kraft
nicht deformierbaren Unterlage angeordnet.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die
Kraft in senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der
zweiten elektrischen Kontaktschicht ausübbar, wobei auf der
zweiten (oberen) Kontaktschicht ein plastisch verformbarer
Körper, vorzugsweise eine Acetatfolie, angeordnet ist, der
bei der Herstellung mit einer Kraft, die größer als die zu
messenden Kräfte ist, auf die zweite (obere) Kontaktschicht
gepreßt wird, so daß sich Unebenheiten der Oberfläche
Kontaktschicht in dem deformierbaren Körper einprägen.
Dies hat den Vorteil, daß im Meßbetrieb des Kraftsensors
die Unebenheiten in der zweiten Kontaktschicht bzw. in der
Anlagefläche eines krafteinleitenden Stempels ausgeglichen
werden und in senkrechter Richtung eine Krafteinleitung
gewährleistet wird, die über die gesamte Oberfläche der
oberen Kontaktschicht gleichmäßig verteilt erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die
Kraft in senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der
zweiten elektrischen Kontaktschicht ausübbar, durch einen
plastisch deformierbaren Körper ist eine Vorspannung in
senkrechter Richtung auf die freie Oberfläche der zweiten
elektrischen Kontaktschicht ausübbar, die größer ist als
die zu messende Kraft, und das Substrat ist zumindest im
Bereich der ersten und der zweiten elektrischen Kontakt
schicht sowie der Widerstandsschicht in der Richtung der zu
messenden Kraft verformbar gelagert.
Für einen einfachen Anschluß an die Meß- und Auswerteschal
tung ist mit Vorteil an der ersten elektrischen Kontakt
schicht ein radial nach außen führender erster Anschluß
streifen angeformt, und an der zweiten elektrischen Kon
taktschicht ist ein radial nach außen führender zweiter
Anschlußstreifen angeformt, der den ersten Anschlußstreifen
nicht berührt. Dabei können die beiden Anschlußstreifen ma
terialeinheitlich und einstückig an den jeweiligen Kontakt
schichten angeformt sein. Es ist jedoch auch denkbar, für
die Anschlußstreifen andere Materialien als für die Kon
taktschichten zu wählen.
Bevorzugt ist dabei der erste Anschlußstreifen auf dem Sub
strat ausgebildet, und der zweite Anschlußstreifen ist
ebenfalls auf dem Substrat ausgebildet und über einen abge
winkelten Übergangsbereich mit der höherliegenden zweiten
elektrischen Kontaktschicht verbunden. Damit wird der Hö
henunterschied zwischen der zweiten elektrischen Kontakt
schicht und dem zweiten Anschlußstreifen auf dem Substrat
überwunden, ohne daß zusätzliche Isolierungen erforderlich
sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste elek
trische Kontaktschicht, die elektrische Widerstands
schicht und die zweite elektrische Kontaktschicht kreis
scheibenförmig gestaltet und konzentrisch übereinander auf
dem Substrat angeordnet. Es sind jedoch auch andere geomet
rische Formen (Quadrate, Rechtecke, Polygone, Ovale etc.)
möglich.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen
das Substrat, die erste elektrische Kontaktschicht, die
elektrische Widerstandsschicht und die zweite elektrische
Kontaktschicht eine konzentrische Mittelausnehmung auf.
Damit besteht die Möglichkeit, den Kraftsensor auf einen
Führungsbolzen aufzuschieben und ggf. durch eine Mutter
vorzuspannen.
Dabei kann die Mittelausnehmung abgestuft sein und im Be
reich des Substrates einen kleineren Durchmesser aufweisen
als im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht, die
Mittelausnehmung im Bereich der ersten elektrischen Kon
taktschicht gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung
im Substrat soweit vergrößert sein, daß die elektrische Wi
derstandsschicht über den inneren Rand der ersten elektri
schen Kontaktschicht hinaus bis auf einen Vorsprung des
Substrates reicht, und die Mittelausnehmung im Bereich der
zweiten elektrischen Kontaktschicht im wesentlichen den
gleichen Durchmesser aufweisen, wie im Bereich der ersten
elektrischen Kontaktschicht.
Wenn das Substrat aus einem elektrisch leitfähigen Material
gebildet ist und die erste elektrische Kontaktschicht bil
det, kann auf die separate Herstellung der ersten elektri
schen Kontaktschicht verzichtet werden, was die Herstellung
vereinfacht und die Dicke der Gesamtanordnung des Kraftsen
sors verringert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Kraft
sensors weist folgende Schritte auf: Bereitstellen eines
Substrates, Aufbringen einer ersten elektrischen Kontakt
schicht auf dem Substrat, Aufbringen einer elektrischen
Widerstandsschicht auf der ersten elektrischen Kontakt
schicht, die die erste elektrische Kontaktschicht voll
ständig überdeckt, und Aufbringen einer zweiten elektri
schen Kontaktschicht auf der elektrischen Widerstands
schicht, wobei die Flächenabmessungen der zweiten elek
trischen Kontaktschicht nicht größer sind als die der
ersten elektrischen Kontaktschicht und die zweite elek
trische Kontaktschicht über der ersten elektrischen Kon
taktschicht ausgerichtet angeordnet wird.
Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird das
Substrat zumindest im Bereich der ersten und der zweiten
elektrischen Kontaktschicht sowie der Widerstandsschicht
auf einer durch die zu messende Kraft nicht deformierbaren
Unterlage angeordnet.
Bei einem anderen Herstellungsverfahren wird das Substrat
zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektri
schen Kontaktschicht sowie der Widerstandsschicht in der
Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein plastisch
deformierbarer Körper auf der freien Oberfläche der zweiten
elektrischen Kontaktschicht angeordnet und dann eine Kraft
auf den plastisch deformierbaren Körper in senkrechter
Richtung ausgeübt, die größer ist als die größte zu
messende Kraft und ausreicht, um eine bleibende plastische
Verformung der Oberfläche des Körpers zu erreichen, die auf
der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontakt
schicht angeordnet ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens besteht im
Anformen eines radial nach außen führenden ersten Anschluß
streifens an der ersten elektrischen Kontaktschicht, und im
Anformen eines radial nach außen führenden zweiten An
schlußstreifens an der zweiten elektrischen Kontaktschicht,
der den ersten Anschlußstreifen nicht berührt.
Dabei kann das Ausbilden des ersten Anschlußstreifens und
des zweiten Anschlußstreifens auf dem Substrat erfolgen,
wobei das Verbinden des zweiten Anschlußstreifens mit der
höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht über
einen abgewinkelten Übergangsbereich erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Herstellung durch kreisscheiben
förmiges Gestalten und konzentrisches Übereinanderanordnen
der ersten elektrischen Kontaktschicht der elektrischen
Widerstandsschicht und der zweiten elektrischen Kontakt
schicht auf dem Substrat.
Eine Weiterbildung des Herstellungsverfahrens besteht im
Ausbilden einer Mittelausnehmung in dem Substrat, der er
sten elektrischen Kontaktschicht, der elektrischen Wider
standsschicht und der zweiten elektrischen Kontaktschicht.
Dabei kann die Weiterbildung durch Abstufen der Mittel
ausnehmung in einer Weise erfolgen, daß die Mittelaus
nehmung im Bereich des Substrates einen kleineren Durch
messer aufweist als im Bereich der ersten elektrischen
Kontaktschicht, die Mittelausnehmung im Bereich der ersten
elektrischen Kontaktschicht gegenüber dem Durchmesser der
Mittelausnehmung im Substrat soweit vergrößert ist, daß die
elektrische Widerstandsschicht über den inneren Rand der
ersten elektrischen Kontaktschicht hinaus bis auf einen
Vorsprung des Substrates reicht, und die Mittelausnehmung
im Bereich der zweiten elektrischen Kontaktschicht im we
sentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, wie im Be
reich der ersten elektrischen Kontaktschicht.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Herstel
lungsverfahrens erfolgt der Schritt des Aufbringens der er
sten elektrischen Kontaktschicht auf dem Substrat durch
Auftragen und Einbrennen einer ersten Dickschicht-Leiter
paste auf dem Substrat zur Bildung der ersten elektrischen
Kontaktschicht.
Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des Herstel
lungsverfahrens erfolgt der Schritt des Aufbringens der
elektrischen Widerstandsschicht auf der ersten elektrischen
Kontaktschicht durch Auftragen und Einbrennen einer Dick
schicht-Widerstandspaste auf der ersten elektrischen Kon
taktschicht zur Bildung der elektrischen Widerstands
schicht.
Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des Herstel
lungsverfahrens erfolgt der Schritt des Aufbringens der
zweiten elektrischen Kontaktschicht auf der Widerstands
schicht durch Auftragen und Einbrennen einer zweiten Dick
schicht-Leiterpaste auf der Widerstandsschicht zur Bildung
der zweiten elektrischen Kontaktschicht.
Bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren wird die zweite
Dickschicht-Leiterpaste bei einer niedrigeren Einbrenntem
peratur als die Dickschicht-Widerstandspaste eingebrannt
und die erste Dickschicht-Leiterpaste bei der gleichen
Einbrenntemperatur wie die Dickschicht-Widerstandspaste
eingebrannt.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß die erste
Dickschicht-Leiterpaste, die Dickschicht-Widerstands
paste und die zweite Dickschicht-Leiterpaste bei unter
schiedlichen Einbrenntemperaturen eingebrannt werden.
Ein großes Problem bei der Herstellung mehrlagiger Dick
schichtstrukturen stellt die Diffusion von elektrisch lei
tenden Partikeln oder Widerstandspartikeln aus einer
Schicht in die daran angrenzende Schicht dar. Die Diffusion
wird dabei durch die mehrfache Erwärmung der Gesamtstruktur
bzw. ihrer Zwischenstufen im Laufe des Schichtenaufbaus
hervorgerufen, wenn Pastensysteme verwendet werden, die die
gleiche Einbrenntemperatur und gleiche oder relativ nahe
beieinander liegende Schmelzpunkte haben. In diesem Fall
durchdringen sich aneinander angrenzende Schichten zu einem
gewissen Grad und verfälschen so ihre beiderseitigen
elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Außerdem
können Kurzschlüsse zwischen zwei Kontakten auftreten. Dies
stellt bei üblichen Dickschichtstrukturen kein allzugroßes
Problem dar, wenn die einzelnen Strukturen Abmessungen von
1000 µm haben, bzw. wenn die Abstände zwischen zwei
Kontakten 1000 µm und mehr betragen.
Die aus der Herstellung von Dickschichtkondensatoren be
kannte Verwendung von dielektrischen Schichten oder die
Verwendung von Isolierschichten aus Glasfritten scheidet
bei der Herstellung des Kraftsensors aus, da derartige
Schichten nicht hinreichend belastbar sind und außerdem die
Messung verfälschen können.
Bei der vorliegenden Erfindung haben die Kontakte jedoch
lediglich einen Abstand von weniger als 100 µm (etwa 30 µm
bis 80 µm), so daß die Gefahr von Kurzschlüssen oder von
Kriechstrecken bei der Verwendung herkömmlicher Technik
relativ groß ist. Außerdem besteht beim Einbrennen das Pro
blem, daß die organischen Lösungsmittelbestandteile der Pa
sten beim Ausgasen verkohlen und leitfähige Teilchen bil
den, die Kurzschlüsse hervorrufen können.
Vorzugsweise werden deshalb Pastensysteme verwendet, bei
denen die erste (untere) Kontaktschicht bei einer Spitzen
brenntemperatur von 850°C eingebrannt wird, wobei das
Bindemittel der Paste oxidhaltig ist, das beim erstmaligen
Einbrennen einer bei wiederholtem Einbrennen irreversiblen
chemischen Reaktion unterliegt. Die Paste für die untere
(erste) Kontaktschicht enthält keine Silberionen, da diese
Langzeitprobleme im Hinblick auf Kurzschlüsse oder Kriech
strecken in einer Umgebung mit hoher Feuchtigkeit oder
elektrischen Feldern hervorrufen können. Sie wird im Sieb
druckverfahren aufgetragen, dann 10 min bei 150°C getrock
net und wird anschließend entsprechend den Herstelleranga
ben eingebrannt.
Auf diese erste Kontaktschicht wird dann mittels Siebdruck
verfahren die Widerstandspaste aufgedruckt und bei einer
Spitzenbrenntemperatur von 850°C eingebrannt, wobei das
Bindemittel der Paste eine Glasfritte ist, die beim wieder
holten Erhitzen über den Schmelzpunkt wieder flüssig wird,
so daß die in der Widerstandspaste enthaltenen Partikel
wieder frei beweglich sind. Um die notwendige Dicke der Wi
derstandsschicht zu erzielen, wird die Widerstandspaste
mehrfach aufgetragen, nach jedem Auftragen 15 min bei 150°C
getrocknet und wird anschließend entsprechend den Her
stellerangaben eingebrannt.
Die Paste zur Herstellung der oberen (zweiten) Kontakt
schicht ist ein Material, das ein Bindemittel auf Glasfrit
te-Basis mit niedrigem Schmelzpunkt (zumindest niedriger
als der Schmelzpunkt der Widerstandspaste) enthält. Die Pa
ste für die obere (zweite) Kontaktschicht wird im Sieb
druckverfahren auf die Widerstandsschicht aufgetragen, dann
10 min bei 150°C getrocknet und anschließend entsprechend
den Herstellerangaben eingebrannt.
Anstatt die erste und die zweite Kontaktschicht in Dick
schichttechnik aufzubringen, besteht auch die Möglichkeit,
daß der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen
Kontaktschicht auf der Widerstandsschicht durch Ablagern
(Abscheiden) einer Leiterschicht auf der Widerstandsschicht
zur Bildung der zweiten elektrischen Kontaktschicht in
Dünnfilmtechnik erfolgt, bzw. daß der Schritt des Aufbrin
gens der ersten elektrischen Kontaktschicht auf dem Sub
strat durch Ablagern einer ersten Leiterschicht auf dem
Substrat zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht
in Dünnfilmtechnik erfolgt. Dazu kann entweder eine
Metallschicht aufgedampft oder durch Festkörper-Zerstäubung
(Sputtertechnik) erzeugt werden.
Die Herstellung der beiden Kontaktschichten kann auch in
unterschiedlicher Technik erfolgen. Zum Beispiel wird die
eine, z. B. die untere Kontaktschicht in Dünnfilmtechnik und
die obere Kontaktschicht in Dickschichttechnik hergestellt.
Bei einer anderen Variante des Herstellungsverfahrens wird
zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht das Sub
strat aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet,
so daß sich die Herstellung der ersten Kontaktschicht in
einem eigenen Arbeitsgang erübrigt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Verwendung des erfin
dungsgemäßen Kraftsensors in einer Bremsanlage ist der
Kraftsensor derart zwischen einem Bremspedal bzw. dessen
Betätigungsstange und einem Bremskraftverstärker angeord
net, daß von einem Fahrer ausgeübte Betätigungskräfte er
faßt und die von dem Kraftsensor erzeugten Signale zur
Steuerung eines automatischen Bremssystems herangezogen
werden können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen des Erfindungsgegen
standes werden im Rahmen der Beschreibung der Ausführungs
beispiele deutlich, die unter Bezugnahme auf die Zeichnun
gen erläutert sind. Es zeigt
Fig. 1 einen Kraftsensor gemäß der Erfindung in einer
ersten Ausführungsform in einer schematischen
Draufsicht im Teilaufriß,
Fig. 2 den Kraftsensor gemäß Fig. 1 in einer
schematischen seitlichen Schnittdarstellung,
geschnitten längs der Linie II-II in der Fig. 1,
Fig. 3 einen Kraftsensor gemäß der Erfindung in einer
zweiten Ausführungsform in einer schematischen
Draufsicht im Teilaufriß,
Fig. 4 den Kraftsensor gemäß Fig. 2 in einer
schematischen seitlichen Schnittdarstellung,
geschnitten längs der Linie IV-IV in der Fig. 3,
Fig. 5 einen Kraftsensor gemäß der Erfindung in einer
dritten Ausführungsform in einer schematischen
perspektivischen Darstellung,
Fig. 6 den Kraftsensor gemäß Fig. 5 in einer
schematischen seitlichen Schnittdarstellung,
geschnitten längs der Linie VI-VI in der Fig. 5,
Fig. 7 einen Kraftsensor gemäß dem Stand der Technik in
einer schematischen perspektivischen Darstellung,
Fig. 8 den Kraftsensor gemäß Fig. 7 in einer schemati
schen seitlichen Schnittdarstellung, geschnitten
längs der Linie VIII-VIII in der Fig. 7,
Fig. 9 ein erstes Temperaturprofil, gemäß dem die erste
Kontaktschicht und die Widerstandsschichten
eingebrannt werden, und
Fig. 10 ein zweites Temperaturprofil, gemäß dem die zweite
Kontaktschicht eingebrannt wird.
In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Kraftsensors veranschaulicht. Dabei ist
auf einem Substrat 1 aus Aluminiumoxid eine erste elektri
sche Kontaktschicht 2 angeordnet, die in Dickschicht-Tech
nik aufgebracht ist. Die elektrische Kontaktschicht 2 hat
die Gestalt einer Kreisscheibe.
Auf der elektrischen Kontaktschicht 2 ist eine elektrische
Widerstandsschicht 3 angeordnet, die ebenfalls in Dick
schicht-Technik aufgebracht ist. Dabei wird die erste elek
trische Kontaktschicht 2 von der Widerstandsschicht 3 voll
ständig überdeckt und reicht im Randbereich über den Rand
der Kontaktschicht 2 hinunter auf das Substrat 1. Auch die
Widerstandsschicht 3 hat die Gestalt einer Kreisscheibe,
ist jedoch geringfügig größer als die erste Kontaktschicht
2, da sie diese allseitig überragt.
Auf der Widerstandsschicht 3 ist eine ebenfalls in Dick
schicht-Technik aufgebrachte zweite elektrische Kontakt
schicht 4 angeordnet. Die Flächenabmessungen der zweiten
elektrischen Kontaktschicht 4 sind genauso groß, wie die
der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 und die zweite
elektrische Kontaktschicht 4 ist konzentrisch fluchtend
über der ersten elektrischen Kontaktschicht 2 angeordnet.
Es ist auch möglich, die beiden Kontaktschichten 2, 4 in
Dünnfilmtechnik aufzubringen.
Es ist weiterhin möglich, anstelle eines Substrates aus
Aluminiumoxid ein elektrisch leitfähiges Material für das
Substrat zu verwenden, so daß anstelle der ersten Kontakt
schicht 2 das Substrat 1 direkt den Kontakt zu der Wider
standsschicht 3 bildet.
Zur Verbindung mit einer (nicht veranschaulichten) Auswer
teschaltung ist an der ersten Kontaktschicht 2 ein radial
nach außen führender erster Anschlußstreifen 5 einstückig
und materialeinheitlich angeformt. In gleicher Weise ist
auch an der zweiten Kontaktschicht 4 ein radial nach außen
führender zweiter Anschlußstreifen 6 angeformt. Dabei sind
die beiden Anschlußstreifen 5, 6 so orientiert, daß sie
sich nicht berühren.
Auch die beiden Anschlußstreifen 4, 5 sind in Dickschicht
technik hergestellt. Es ist jedoch auch möglich, die beiden
Kontaktschichten 2, 4 und die zugehörigen Anschlußstreifen
5, 6 in Dünnfilmtechnik aufzubringen.
Die beiden Anschlußstreifen 5, 6 sind auf dem Substrat 1
ausgebildet. Da die zweite Kontaktschicht 4 im vertikalen
Abstand zu dem Substrat 1 liegt, ist der zweite Anschluß
streifen 6 einen abgewinkelten Übergangsbereich 7 mit der
höherliegenden zweiten Kontaktschicht 4 verbunden.
Je nach Anwendungsfall ist der Kraftsensor so gelagert, daß
das Substrat 1 zumindest im Bereich der ersten und der
zweiten elektrischen Kontaktschicht 2, 4 sowie der Wider
standsschicht 3 auf einer durch die zu messende Kraft nicht
deformierbaren Unterlage angeordnet ist. Dazu kann das ge
samte Substrat auf einem massiven (nicht veranschaulichten)
Unterbau aufgebracht sein.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß das Substrat 1
zumindest im Bereich der ersten und der zweiten elektri
schen Kontaktschicht 2, 4 sowie der Widerstandsschicht 3 in
der Richtung der zu messenden Kraft verformbar gelagert
ist. Dazu kann das Substrat 1 an seinen Rändern oder seinen
Eckpunkten eingespannt oder abgestützt sein, so daß sich
die gesamte Anordnung in der Richtung senkrecht zur Sub
stratebene durchbiegen kann.
Weiterhin kann der Kraftsensor einen (nicht veranschaulich
ten) plastisch deformierbaren Körper z. B. in Gestalt einer
Acetatfolie aufweisen, der auf der freien Oberfläche der
zweiten (oberen) Kontaktschicht 4 angeordnet ist. Bei der
Herstellung des Kraftsensors wird auf diesen plastisch
deformierbaren Körper in senkrechter Richtung (einmalig)
eine Kraft ausgeübt, die größer ist als die zu messende
Kraft, so daß sich Unebenheiten der Oberfläche Kontakt
schicht 4 in dem deformierbaren Körper einprägen.
Bei der in den Fig. 3 und 4 veranschaulichten Ausführungs
form des Kraftsensors weisen das Substrat 1, die erste Kon
taktschicht 2, die Widerstandsschicht 3 und die zweite
Kontaktschicht 4 eine konzentrische Mittelausnehmung 8 auf.
Die Mittelausnehmung 8 hat eine kreisrunde Gestalt. Sie
kann aber auch eckig oder oval gestaltet sein.
Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Mittelausneh
mung 8 abgestuft ist. Sie weist im Bereich des Substrates
1 einen kleineren Durchmesser auf als im Bereich der ersten
Kontaktschicht 2. Im Bereich der ersten Kontaktschicht 2
ist der Durchmesser der Mittelausnehmung 8 gegenüber dem
Durchmesser im Substrat soweit vergrößert, daß die elek
trische Widerstandsschicht 3 über den inneren Rand der
ersten Kontaktschicht 2 hinaus bis auf einen nach innen
ragenden ringförmigen Vorsprung 9 des Substrates 1 reicht.
Im Bereich der zweiten Kontaktschicht weist die Mittelaus
nehmung 8 (abgesehen von der über den inneren Rand der er
sten Kontaktschicht 2 auf das Substrat 1 herunterreichenden
Widerstandsschicht 3) den gleichen Durchmesser auf, wie im
Bereich der ersten Kontaktschicht 4.
Durch die Mittelausnehmung 8 kann ein Spannbolzen oder eine
Führungsstange (beide nicht veranschaulicht) ragen, über
die der Kraftsensor vorgespannt bzw. mit einem Krafteinlei
tungsteil in eine vorbestimmte Position gebracht werden
kann.
Die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 entspricht im we
sentlichen der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2. Der
einzige Unterschied besteht darin, daß die Gestalt der Kon
taktschichten 2, 4 und der Widerstandsschicht 3 rechteckig
ist.
Nachstehend werden detaillierte Angaben für die Herstellung
der erfindungsgemäßen Kraftsensoren in Dickfilmtechnik ge
geben.
Für die Herstellung des Kraftsensors zusammen mit den drei
anderen Brückenwiderständen einer Brückenschaltung werden
vier Sieb-Masken benötigt.
Sieb 1 wird zur Herstellung der ersten elektrischen Kon
taktschicht auf dem Substrat benötigt. Es besteht aus rost
freiem Stahl und hat eine Maschendichte von 325 Maschen/
Quadratzoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.
Sieb 2 wird zur Herstellung der Brückenwiderstände benö
tigt. Es besteht aus rostfreiem Stahl und hat eine Maschen
dichte von 200 Maschen/Quadratzoll. Der Siebwinkel beträgt
45°.
Sieb 3 wird zur Herstellung der elektrischen Widerstands
schicht für den Sensor benötigt. Es besteht aus rostfreiem
Stahl und hat eine Maschendichte von 200 Maschen/Quadrat
zoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.
Sieb 4 wird zur Herstellung der zweiten (oberen) elektri
schen Kontaktschicht benötigt. Es besteht aus rostfreiem
Stahl und hat eine Maschendichte von 325 Maschen/Quadrat
zoll. Der Siebwinkel beträgt 45°.
Für die Herstellung der einzelnen Schichten werden vier
Dickschichtpasten benötigt.
- 1. Paste für die erste Kontaktschicht: DuPont 5723 gold
- 2. Paste für die Brückenwiderstände: DuPont 1939 (10 kΩ)
- 3. Paste für die Widerstandsschicht: Heraeus R8291 (1 GΩ)
- 4. Paste für die zweite Kontaktschicht: Heraeus C4350 gold.
Als Substrat wird Hoechst Aluminiumoxid-Substrat verwendet
(Gesamtabmessungen 30 mm · 30 mm · 2 mm), das mittels Laser
in neun Einzelstücke (mit jeweils 10 mm · 10 mm · 2 mm)
geschnitten wird.
Der Pastenauftrag erfolgt auf einer AMI PRESCO 465 Sieb
druckmaschine.
Zum Herstellen der ersten elektrischen Kontaktschicht sind
folgende Prozeßparameter einzuhalten:
Claims (29)
1. Kraftsensor mit
- - einem Substrat (1),
- - einer ersten elektrischen Kontaktschicht (2), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist,
- - einer elektrischen Widerstandsschicht (3), die auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) angeordnet ist und diese vollständig überdeckt, und
- - einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (4), die auf der elektrischen Widerstandsschicht (3) angeordnet ist, wobei die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) nicht größer sind, als die der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) und die zweite elektrische Kontaktschicht (4) über der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) ausgerichtet angeordnet ist.
2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten
und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4)
sowie der Widerstandsschicht (3) auf einer durch die
zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage
angeordnet ist.
3. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten
und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4)
sowie der Widerstandsschicht (3) in der Richtung der
zu messenden Kraft verformbar gelagert ist.
4. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- - ein plastisch deformierbarer Körper auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) angeordnet ist, auf den eine Vorspannung in senk rechter Richtung ausgeübt wird, die größer ist als die größte zu messende Kraft und ausreicht, um eine bleibende plastische Verformung der Oberfläche des Körpers zu erreichen, die auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) angeordnet ist.
5. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- - an der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) ein radial nach außen führender erster Anschlußstreifen (5) angeformt ist, und
- - an der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) ein radial nach außen führender zweiter Anschlußstreifen (6) angeformt ist, der den ersten Anschlußstreifen (5) nicht berührt.
6. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der erste Anschlußstreifen (5) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist, und
- - der zweite Anschlußstreifen (6) auf dem Substrat (1) ausgebildet ist und über einen abgewinkelten Über gangsbereich (7) mit der höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) verbunden ist.
7. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die erste elektrische Kontaktschicht (2),
- - die elektrischen Widerstandsschicht (3) und
- - die zweite elektrische Kontaktschicht (4) kreisscheibenförmig gestaltet und konzentrisch übereinander auf dem Substrat (1) angeordnet sind.
8. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Substrat (1),
- - die erste elektrische Kontaktschicht (2),
- - die elektrischen Widerstandsschicht (3) und
- - die zweite elektrische Kontaktschicht (4) eine konzentrische Mittelausnehmung (8) aufweisen.
9. Kraftsensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - die Mittelausnehmung (8) abgestuft ist und im Bereich des Substrates (1) einen kleineren Durchmesser auf weist als im Bereich der ersten elektrischen Kontakt schicht (2),
- - die Mittelausnehmung (8) im Bereich der ersten elek trischen Kontaktschicht (2) gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung (8) im Substrat soweit vergrößert ist, daß die elektrische Widerstandsschicht (3) über den inneren Rand der ersten elektrischen Kontakt schicht (2) hinaus bis auf einen Vorsprung (9) des Substrates (1) reicht, und
- - die Mittelausnehmung (8) im Bereich der zweiten elek trischen Kontaktschicht (4) den gleichen Durchmesser aufweist, wie im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht (4).
10. Kraftsensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat
(1) aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet
ist und die erste elektrische Kontaktschicht (2)
bildet.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kraftsensors, mit
folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Substrates (1),
- - Aufbringen einer ersten elektrischen Kontaktschicht (2) auf dem Substrat (1),
- - Aufbringen einer elektrischen Widerstandsschicht (3) auf der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), die die erste elektrische Kontaktschicht (2) minde stens vollständig überdeckt, und
- - Aufbringen einer zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) auf der elektrischen Widerstandsschicht (3), wobei die Flächenabmessungen der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) nicht größer sind als die der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) und die zweite elektrische Kontaktschicht (4) über der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) ausgerichtet angeordnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten
und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4)
sowie der Widerstandsschicht (3) auf einer durch die
zu messende Kraft nicht deformierbaren Unterlage
angeordnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (1) zumindest im Bereich der ersten
und der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2, 4)
sowie der Widerstandsschicht (3) in der Richtung der
zu messenden Kraft verformbar gelagert wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
- - Anformen eines radial nach außen führenden ersten Anschlußstreifens (5) an der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), und
- - Anformen eines radial nach außen führenden zweiten Anschlußstreifens (6) an der zweiten elektrischen Kontaktschicht (2), der den ersten Anschlußstreifen (5) nicht berührt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
- - Anordnen eines plastisch deformierbarer Körper auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontakt schicht (4),
- - Ausüben einer Kraft auf den plastisch deformierbaren Körper in senkrechter Richtung, die größer ist als die größte zu messende Kraft und ausreicht, um eine bleibende plastische Verformung der Oberfläche des Körpers zu erreichen, die auf der freien Oberfläche der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) angeordnet ist.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
- - Ausbilden des ersten Anschlußstreifens (5) auf dem Substrat (1) und Verbinden mit der ersten elektrischen Kontaktschicht (2), und
- - Ausbilden des zweiten Anschlußstreifens (6) auf dem Substrat (1) und Verbinden mit der höherliegenden zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) über einen abgewinkelten Übergangsbereich (7).
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
kreisscheibenförmiges Gestalten und konzentrisches
Übereinanderanordnen
- - der ersten elektrischen Kontaktschicht (2),
- - der elektrischen Widerstandsschicht (3) und
- - der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4) auf dem Substrat (1).
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausbilden einer
Mittelausnehmung (8) in dem Substrat (1), der ersten
elektrischen Kontaktschicht (2), der elektrischen
Widerstandsschicht (3) und der zweiten elektrischen
Kontaktschicht (4).
19. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
gekennzeichnet durch Abstufen der Mittelausnehmung (8)
in einer Weise, daß
- - die Mittelausnehmung im Bereich des Substrates (1) einen kleineren Durchmesser aufweist als im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht (2),
- - die Mittelausnehmung (8) im Bereich der ersten elek trischen Kontaktschicht (2) gegenüber dem Durchmesser der Mittelausnehmung (8) im Substrat soweit vergrößert ist, daß die elektrische Widerstandsschicht (3) über den inneren Rand der ersten elektrischen Kontakt schicht (2) hinaus bis auf einen Vorsprung (9) des Substrates (1) reicht, und
- - die Mittelausnehmung (8) im Bereich der zweiten elek trischen Kontaktschicht (4) im wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist, wie im Bereich der ersten elektrischen Kontaktschicht (4).
20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Aufbringens der ersten elektrischen
Kontaktschicht (2) auf dem Substrat (1) durch
Auftragen und Einbrennen einer ersten Dickschicht-
Leiterpaste auf dem Substrat (1) zur Bildung der
ersten elektrischen Kontaktschicht (2) erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Aufbringens der elektrischen
Widerstandsschicht (3) auf der ersten elektrischen
Kontaktschicht (2) durch Auftragen und Einbrennen
einer Dickschicht-Widerstandspaste auf der ersten
elektrischen Kontaktschicht (2) zur Bildung der
elektrischen Widerstandsschicht (3) erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen
Kontaktschicht (4) auf der Widerstandsschicht (3)
durch Auftragen und Einbrennen einer zweiten Dick
schicht-Leiterpaste auf der Widerstandsschicht (3) zur
Bildung der zweiten elektrischen Kontaktschicht (4)
erfolgt.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Dickschicht-Leiterpaste bei einer niedrigeren Ein
brenntemperatur als die Dickschicht-Widerstandspaste
eingebrannt wird.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Dickschicht-Leiterpaste bei der gleichen Einbrenn
temperatur wie die Dickschicht-Widerstandspaste
eingebrannt wird.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Dickschicht-Leiterpaste, die Dickschicht-Widerstands
paste und die zweite Dickschicht-Leiterpaste bei
unterschiedlichen Einbrenntemperaturen eingebrannt
werden.
26. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Aufbringens der zweiten elektrischen
Kontaktschicht (4) auf der Widerstandsschicht (3)
durch Ablagern einer Leiterschicht auf der Wider
standsschicht (3) zur Bildung der zweiten elektrischen
Kontaktschicht (4) in Dünnfilmtechnik erfolgt.
27. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt des Aufbringens der ersten elektrischen
Kontaktschicht (2) auf dem Substrat (1) durch Ablagern
einer ersten Leiterschicht auf dem Substrat (1) zur
Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht (2) in
Dünnfilmtechnik erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung der ersten elektrischen Kontaktschicht
(2) das Substrat (1) aus einem elektrisch leitfähigen
Material gebildet wird.
29. Verwendung des Kraftsensors nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 11 bzw. des nach dem Verfahren
gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 28
hergestellten Kraftsensors in einer Bremsanlage,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor derart
zwischen einem Bremspedal bzw. dessen Betätigungs
stange und einem Bremskraftverstärker angeordnet ist,
daß von einem Fahrer ausgeübte Betätigungskräfte
erfaßt und die von dem Kraftsensor erzeugten Signale
zur Steuerung eines automatischen Bremssystems
herangezogen werden können.
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