DE4324692A1

DE4324692A1 - Piezoelektrischer Kraftsensor

Info

Publication number: DE4324692A1
Application number: DE4324692A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dipl Ing Hopf; Botho Dipl Phys Dr Ziegenbein; Bernd Dr Maihoefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-07-23
Filing date: 1993-07-23
Publication date: 1995-01-26
Also published as: JPH0777466A; US5499541A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Kraftsensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der WO 88/10431 ist bereits ein piezoelektrischer Kraftsensor bekannt, der als Beschleunigungssensor ausgebildet ist. Der Beschleunigungssensor besteht aus einer kreis förmigen piezoelektrischen Platte, die aus jeweils zwei piezo elektrischen Halbplatten aufgebaut ist. Die piezoelektrische Platte ist zentral auf einem Sockel gelagert und wird durch eine Be schleunigung verbogen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Kraftsensor mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor teil, daß ein Abbruch der piezoelektrischen Platte, wie er durch eine Kraftüberlastung entstehen kann, zuverlässig erkannt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen piezoelektrischen Kraftsensors möglich.

Da die meisten Brüche entlang der Biegelinie auftreten, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Leiterbahn die Biegelinie min destens einmal überquert. Weiterhin wird der Startpunkt vorteil hafterweise auf dem Lagerbereich aufgebracht, da durch die gute Unterstützung in diesem Bereich ein Anschluß mit externen Bond drähten dort besonders günstig erfolgt. Besonders einfach wird die erfindungsgemäße Leiterbahn direkt auf der Oberfläche der piezo elektrischen Platte aufgebracht, sofern dabei die Leiterbahn und der Startpunkt nur klein genug sind. Durch eine keramische Platte mit einer geringen Dielektrizitätskonstante wird die Nachweisbarkeit eines Abbruchs weiter verbessert, da so die verbleibende Rest kapazität besonders gering wird. Weiterhin erlaubt dies die ge trennte Herstellung der piezoelektrischen Platte und der keramischen Platte, so daß die Herstellung der jeweiligen Teile besonders ein fach wird. Bei einer rechteckigen piezoelektrischen Platte überquert die Leiterbahn die Biegelinie zweckmäßigerweise mit einem Winkel von ca. 90°. Bei einer kreisförmigen piezoelektrischen Platte schneidet vorteilhafterweise jede Tangente an der kreisförmigen Biegelinie die Leiterbahn mindestens an einer Stelle, um eine sichere Abbrucher kennung zu gewährleisten.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einer Seitenansicht eines einseitig gelagerten piezo elektrischen Kraftsensors, Fig. 2 eine Aufsicht auf den piezo elektrischen Kraftsensor nach Fig. 1, Fig. 3 eine Seitenansicht eines zentral gelagerten piezoelektrischen Kraftsensors, Fig. 4 eine Aufsicht auf den piezoelektrischen Kraftsensor nach Fig. 3, Fig. 5 eine Aufsicht auf einen piezoelektrischen Kraftsensor mit einer kreisförmigen piezoelektrischen Platte, Fig. 6 die Schal tungsanordnung von piezoelektrischer Platte und Leiterbahn, Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kraftsensors und Fig. 8 eine dazugehörige Schaltungsanordnung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Kraftsensors dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Kraftsensor entlang der Linie 1-1 der Aufsicht in Fig. 2. Eine piezoelektrische Platte 1, die aus zwei Halbplatten 2, 3 aufgebaut ist, ist auf ihrer Unterseite mittels eines Lagers 7 auf einem Träger 8 befestigt. Auf der Unterseite der piezo elektrischen Platte 1 ist eine ganzflächige Elektrode 5, auf der Oberseite der piezoelektrischen Platte 1 ist eine strukturierte Elektrode 4 aufgebracht. Der elektrische Anschluß der Elektrode 4 erfolgt über einen Bonddraht 6, der auf dem Startpunkt 12 befestigt ist. Da bei der Befestigung des Bonddrahtes 6 Kräfte auf die Unter lage wirken, wird der Startpunkt 12 vorteilhafterweise über dem Lager angeordnet, da dieser Bereich mechanisch besonders stabil ist. Der elektrische Kontakt zwischen dem Startpunkt 12 und der Elektrode 4 wird durch die Leiterbahn 20 hergestellt. Zur Vereinfachung wurde der Bonddraht 6 in der Aufsicht (Fig. 2) nicht dargestellt. Die elektrische Kontaktierung der Elektrode 5 erfolgt beispielsweise durch einen leitenden Lagerblock 7 und weiteren Leiterbahnen, die auf dem Träger 8 aufgebracht sind. Der Bereich der piezoelektrischen Platte 1, der über dem Lager 7 gelegen ist, wird als Lagerbereich 9 bezeichnet. Der hier gezeigte Kraftsensor wird als Beschleunigungs sensor verwendet. Bei einer Beschleunigung, die senkrecht auf der Oberfläche des Trägers 8 steht, wird der nicht vom Lager 7 unter stützte Bewegungsbereich 11 relativ zum Träger 8 bewegt. Besonders auf der Biegelinie 10, die zwischen dem Lagerbereich 9 und dem Be wegungsbereich 11 liegt, kommt es dabei zu einer starken mechani schen Beanspruchung der piezoelektrischen Platte 1. Bei einer über großen mechanischen Beanspruchung, beispielsweise bei einer sehr starken Beschleunigung, kommt es daher bevorzugt zu einem Bruch entlang der Biegelinie 10. Durch einen solchen Bruch wird die Leiterbahn 20, die die Biegelinie 10 über quert, unterbrochen. Wenn man die Kapazität der piezoelektrischen Platte 1 über die Leiterbahn 20 mißt, so kommt es vor und nach dem Bruch der piezoelektrischen Platte 1 zu stark unterschiedlichen Werten. Durch Messung der Kapazität der piezoelektrischen Platte 1 kann somit bestimmt werden, ob die piezoelektrische Platte 1 unbe schädigt ist.

Die beiden Halbplatten 2 und 3 der piezoelektrischen Platte 1 weisen eine piezoelektrische Polarisation auf, deren Richtung einander ent gegengesetzt ist. Durch diese Anordnung der beiden piezoelektrischen Halbplatten 2, 3 wird erreicht, daß bei einer Verbiegung des piezo elektrischen Elementes 1 elektrische Ladungen an den Elektroden 4, 5 nachweisbar sind. Diese Verbiegungen können nicht nur durch eine Beschleunigung bewirkt werden, sondern auch durch jede andere Form der mechanischen Krafteinleitung auf die piezoelektrische Platte 1. Es versteht sich von selbst, daß viele andere Formen der Lagerung und Verbiegung der piezoelektrischen Platte 1 möglich sind.

Eine andere Anordnung von Lager 7 und piezoelektrischer Platte 1 ist in der Fig. 3 im Querschnitt und in der Fig. 4 in der Aufsicht gezeigt. Die piezoelektrische Platte 1, die wiederum aus zwei Halb platten 2 und 3 aufgebaut ist, ist derart auf einem Lager 7 ange ordnet, daß zu beiden Seiten des Lagerbereiches 9 zwei gleichgroße Bewegungsbereiche 11 angeordnet sind. Dieser piezoelektrische Kraftsensor weist somit auch zwei Biegelinien 10 auf. Die piezo elektrische Polarisation der beiden piezoelektrischen Halbplatten 2, 3 weist wieder in entgegengesetzte Richtung. Auf der Oberseite und der Unterseite der piezoelektrischen Platte 1 ist jeweils eine Elektrode 4, 5 aufgebracht, die hier jeweils die ge samte Oberfläche der Oberseite und Unterseite der piezoelektrischen Platte 1 bedecken. Die Funktionsweise dieses piezoelektrischen Kraftsensors entspricht wieder der Funktionsweise des piezo elektrischen Kraftsensors, der aus der Fig. 1 und 2 bekannt ist. Durch eine Beschleunigung, die senkrecht auf der Oberfläche des Trägers 8 steht, werden die beiden Bewegungsbereiche 11 relativ zur Trägerplatte 8 bewegt. Mit dieser Verbiegung der piezoelektrischen Platte 1 werden wieder elektrische Ladungen in den Elektroden 4, 5 erzeugt, deren Nachweis eine Aussage über die Beschleunigung zuläßt. Zum Nachweis der Beschleunigung sind daher die Elektroden 4, 5 mit externen Schaltkreisen zur Auswertung verbunden. Die Kontaktierung der unteren Elektrode 5 erfolgt beispielsweise wieder über ein leitendes Lager 7. Es sind jedoch auch andere Methoden zur elektri schen Kontaktierung der unteren Elektrode 5 vorstellbar. Die obere Elektrode 4 ist auch hier wiederum durch eine Leiterbahn 20 kon taktiert, die bei einem Abbruch des piezoelektrischen Elementes 1 entlang der Biegelinie 10 unterbrochen wird. Die Leiterbahn 20 ist auf einer keramischen Platte 13 aufgebracht, wobei die keramische Platte 13 wiederum auf der Oberseite der piezoelektrischen Platte 1 aufgebracht ist. Wie in der Seitenansicht in der Fig. 3 zu sehen ist, ist die Leiterbahn 20 derart ausgestaltet, daß sie eine elektrische Verbindung von der Oberseite der keramischen Platte 13 zur Unterseite der keramischen Platte 13 herstellt. Vorzugsweise bedeckt die Leiterbahn 20 die Unterseite der keramischen Platte 13 vollständig, so daß ein besonders großflächiger Kontakt zur Elek trode 4 hergestellt wird. Zur Herstellung der Leiterbahn 20 auf der keramischen Platte 13 kann beispielsweise der Siebdruck von Dick filmpasten auf der keramischen Platte 13 verwendet werden. Die Aus gestaltung der Leiterbahn 20 auf der Oberseite der keramischen Platte 13 wird durch die Aufsicht in der Fig. 4 dargestellt. Aus gehend von einem Startbereich 12, auf dem beispielsweise wieder ein Bonddraht befestigt würde, wird die Leiterbahn 20 derart auf der Oberseite der keramischen Platte 13 geführt, daß sie beide Biegelinien 10 überquert. Durch diese Maß nahme wird sichergestellt, daß bei einem Bruch der keramischen Platte 13 entlang der Biegelinien 10 der piezoelektrischen Platte 1 die elektrische Verbindung vom Startpunkt 12 bis zur Elektrode 4 zuverlässig unterbrochen wird.

Durch die Verwendung der keramischen Platte 13 werden eine Reihe von Vorteilen erreicht. Zum einen können die Leiterbahn 20 und die piezoelektrische Platte 1 unabhängig voneinander gefertigt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da so eine ganzflächige Elektrode 4 auf der Oberseite der piezoelektrischen Platte 1 verwendet werden kann. Es muß somit eine Strukturierung der metallischen Schicht auf der Oberseite der piezoelektrischen Platte erfolgen. Weiterhin wird durch eine geeignete Materialauswahl für die keramische Platte 13 die Restkapazität der Leiterbahn 20 nach einem Abbruch der piezo elektrischen Platte 1 verringert. Dazu sollte als Material für die keramische Platte 13 ein Material mit einer geringen Dielektrizi tätskonstante verwendet werden. Piezoelektrische Materialien weisen in der Regel eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante in der Größen ordnung von 2000 auf. Weiterhin weisen piezoelektrische Materialien einen sehr großen Temperaturgang der Dielektrizitätskonstanten auf, beispielsweise in der Größenordnung von 1% pro Kelvin. Würde bei spielsweise die hier gezeigte piezoelektrische Platte nur auf einer Seite abbrechen, so könnte ohne die Leiterbahn 20 aufgrund des starken Temperaturgangs der Kapazität nicht entschieden werden, ob die piezoelektrische Platte 1 abgebrochen ist oder nicht. Wird je doch die Leiterbahn 20 unterbrochen, so ist wegen der geringen Fläche der Leiterbahn 20 und der geringen Dielektrizitätskonstanten der Keramikplatte 13 die verbliebene Restkapazität so gering, daß zweifelsfrei durch Messung der Kapazität festgestellt werden kann, daß die piezoelektrische Platte 1 abgebrochen ist. Bei einer direkt auf der piezoelektrischen Platte 1 aufgebrachten Leiterbahn 20, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird, sollte daher darauf geachtet werden, daß die Fläche des Startpunktes 12 und der Leiterbahn 20 möglichst gering sind, um sicherzustellen, daß die verbliebene Restkapazität nach einem Ab bruch der piezoelektrischen Platte 1 gering genug ist.

Es versteht sich von selbst, daß die Leiterbahn 20 nicht nur auf der Oberseite der piezoelektrischen Platte 1 angeordnet werden kann, sondern daß es ebensogut möglich ist, eine Leiterbahn 20 durch eine Strukturierung der unteren Elektrode 5 oder durch Aufbringen einer entsprechenden keramischen Platte 13 auf der Unterseite der piezo elektrischen Platte 1 zu erzeugen. In diesem Fall würde die Kon taktierung nicht durch ein leitendes Lager 7 erfolgen, sondern das Lager 7 wäre isolierend. Durch auf dem Lager 7 aufgebrachte Leiter bahnen würde dann eine Kontaktierung der Leiterbahn 20 erreicht.

Um sicherzustellen, daß die Leiterbahn 20, die auf der keramischen Platte 13 aufgebracht ist, bei einem Bruch der piezoelektrischen Platte 1 ebenfalls zuverlässig gebrochen wird, ist die keramische Platte 13 fest mit der piezoelektrischen Platte 1 verbunden. Eine solche Verbindung kann beispielsweise durch die Verwendung eines metallgefüllten Klebstoffes zwischen der Keramikplatte 13 und der Elektrode 4 auf der Oberseite der piezoelektrischen Platte 1 erreicht werden. Durch einen solchen Kleber würde zugleich ein guter elektri scher Kontakt zwischen der Leiterbahn 20 auf der Unterseite der keramischen Platte 13 und der Elektrode 4 erzielt. Weiterhin sollte die keramische Platte 13 aus einem ausreichend spröden Material be stehen, so daß die keramische Platte 13 bei einem Abbruch der piezo elektrischen Platte 1 ebenfalls abbricht.

In der Fig. 5 ist in der Aufsicht ein Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen piezoelektrischen Kraftsensors mit einer kreisrunden piezoelektrischen Platte 1 gezeigt. Die hier gezeigte kreisrunde piezoelektrische Platte 1 ist in ihrem Querschnitt wieder ebenso aufgebaut wie die piezoelektrischen Platten, die in der Fig. 1 oder der Fig. 3 gezeigt sind. Der Mittelpunkt der kreisförmigen piezo elektrischen Platte 1 ist von einem kreisförmigen Lager derart unter stützt, daß sich eine kreisförmige Biegelinie 10 ausbildet. Auf dem Mittelpunkt ist ein Startpunkt 12 gelegen, von dem die Leiterbahn 20 ausgeht. Die Leiterbahn 20 überquert die Biegelinie 10 mehrmals bis sie schließlich an der Elektrode 4 endet. Die Leiterbahn 20 ist hier sternförmig ausgebildet und überquert die Biegelinie an insgesamt 9 Stellen. Die Leiterbahn 20 ist derart ausgestaltet, daß jede Tangente, die an die Biegelinie 10 angelegt werden kann, die Leiter bahn 20 mindestens einmal schneidet. Bei der Ausgestaltung der Leiterbahn 20 wurde davon ausgegangen, daß ein Bruch der keramischen Platte 1 vorwiegend eine Gerade bildet, wobei diese Gerade an einem Punkt die Biegelinie schneidet. Durch das Design der Leiterbahn 20 ist somit sichergestellt, daß es bei einem Bruch der piezo elektrischen Platte 1 zu einer zuverlässigen Unterbrechung der Leiterbahn 20 kommt.

In der Fig. 6 ist schematisch dargestellt, wie ein Abbruch der piezoelektrischen Platte 1 durch die damit verbundene Unterbrechung der Leiterbahn 20 festgestellt werden kann. Ein Kapazitätsmeßgerät wird dazu über die Leiterbahn 20 mit einer Elektrode 4 der piezo elektrischen Platte 1 verbunden. Weiterhin ist das Kapazitätsmeß gerät 14 mit der Elektrode 5 der piezoelektrischen Platte 1 ver bunden. Solange wie durch die Leiterbahn 20 die piezoelektrische Platte 1 direkt mit dem Kapazitätsmeßgerät 14 verbunden ist, mißt das Kapazitätsmeßgerät 14 die sehr große Kapazität der piezo elektrischen Platte 1. Bei einer Unterbrechung der Leiterbahn 20 mißt das Kapazitätsmeßgerät 14 nur noch die vergleichsweise sehr geringe Kapazität der Zuleitungen. Auf diese Weise kann deutlich zwischen einer intakten und einer gebrochenen piezoelektrischen Platte 1 unterschieden werden.

In der Fig. 7 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Kraftsensors gezeigt. Auf der Oberseite einer piezo elektrischen Platte 1 ist eine keramische Platte 13 aufgebracht. Auf der keramischen Platte 13 sind zwei Startpunkte 12 und Leiterbahnen 21 aufgebracht, wobei die Startpunkte 12 auf dem Lagerbereich 9 liegen und die Leiterbahnen 21 die Biegelinien 10 überqueren. Durch die beiden Startpunkte 12 wird die auf der Oberseite der piezo elektrischen Platte angeordnete Elektrode 4 kontaktiert. Die Leiter bahnen 21 sind wieder so angeordnet, daß bei einer Abbruch der Piezoplatte 1 die Leiterbahnen 21 unterbrochen werden.

In der Fig. 8 ist schematisch gezeigt, die die beiden Anschlüsse 12 der Elektrode 4 der piezoelektrischen Platte 1 für einen Funktions test des Kraftsensors genutzt werden. Über einen der Startpunkte 12 wird über eine der Leiterbahnen 21 ein elektrisches Testsignal U1 an die Elektrode 4 die piezoelektrischen Platte angelegt. Die zweite hintere Elektrode 5 der piezoelektrischen Platte 1 ist dabei gegen Masse gelegt. An dem anderen Anschluß 12 kann dann die Reaktion der piezoelektrischen Platte 1 auf das Testsignal U1 in Form eines Aus gangssignal U2 abgegriffen werden. Da durch einen Bruch der Ein koppelzweig des Testsignals aufgetrennt wird, reagiert dann der Sensor nicht mehr auf das Testsignal und ein Bruch der piezo elektrischen Platte 1 kann zuverlässig festgestellt werden.

Claims

1. Piezoelektrischer Kraftsensor, mit mindestens einer auf Biegung belasteten piezoelektrischen Platte (1), auf deren Oberseite und Unterseite Elektroden (4, 5) aufgebracht sind, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der piezoelektrischen Platte (1) mindestens eine Leiterbahn (20, 21) angeordnet ist, über die mindestens eine der Elektroden (4, 5) elektronisch kontaktiert ist, und daß die Leiter bahn (20, 21) derart angeordnet ist, daß bei einem Abbruch der piezoelektrischen Platte (1) die Leiterbahn (20, 21) unterbrochen wird.

2. Piezoelektrischer Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die piezoelektrische Platte (1) jeweils mindestens einen Lagerbereich (9), eine Biegelinie (10) und einen Bewegungs bereich (11) aufweist, daß der Lagerbereich (9) durch ein Lager (7) auf einem Träger (8) fixiert ist, daß der Bewegungsbereich (11) durch eine Kraft relativ zum Träger (8) bewegt wird, daß die Biege linie (10) auf der Platte (1) zwischen dem Lagerbereich (9) und dem Bewegungsbereich (11) angeordnet ist, und daß die Leiterbahn (20, 21) von einem Startpunkt (12) zu einer der Elektroden (4,5) führt und dabei mindestens einmal die Biegelinie (10) überquert.

3. Piezoelektrischer Kraftsensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (20, 21) direkt auf der piezoelektrischen Platte (1) aufgebracht ist, und daß die Fläche der Leiterbahn (20, 21) und des Startpunkts (12) zusammen mindestens viermal kleiner ist als die Fläche der kontaktierten Elektrode (4, 5).

4. Piezoelektrischer Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der piezoelektrischen Platte 1 eine keramische Platte (13) mit einer geringen Dielektrizitätskonstante aufgebracht ist, und daß die Leiterbahn (20, 21) auf der keramischen Platte (13) aufgebracht ist.

5. Piezoelektrischer Kraftsensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden (4,5 ) die gesamte Fläche der Oberseite und der Unterseite der piezoelektrischen Platte (1) bedecken, und daß die Leiterbahn (20, 21) von der einen Seite der keramischen Platte (13) zur anderen Seite der keramischen Platte (13) führt.

6. Piezoelektrischer Kraftsensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (1) als Rechteck ausgebildet ist, und daß die Leiterbahn (20, 21) die mindestens eine Biegelinie (10) mit einem Winkel von ca. 90° über quert.

7. Piezoelektrischer Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (1) als kreisförmige Platte ausgebildet ist, daß der Lagerbereich (9) durch einen Kreis um den Mittelpunkt der kreisförmigen piezoelektrischen Platte (1) gebildet ist, daß die Leiterbahn (20) die kreisförmige Biegelinie (10) mindestens dreimal überquert, und daß die Leiterbahn (20) derart ausgestaltet ist, daß jede Tangente an der Biegelinie (10) die Leiterbahn (20) an mindestens einer Stelle schneidet.

8. Piezoelektrischer Kraftsensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (1) durch die Leiterbahn (20) mit einem Kapazitätsmeßgerät (14) verbind bar ist, durch welches bei einem Bruch der Leiterbahn (20) die Änderung der Kapazität meßbar ist.

9. Piezoelektrischer Kraftsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die piezoelektrische Platte (1) durch eine Leiterbahn (21) ein Testsignal anlegbar ist und durch eine weitere Leiterbahn (21) die Reaktion der piezoelektrischen Platte (1) auf das Testsignal nachweisbar ist.