WO2012100770A1 - Electrical measuring device for measuring force and/or pressure - Google Patents
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- WO2012100770A1 WO2012100770A1 PCT/DE2012/000064 DE2012000064W WO2012100770A1 WO 2012100770 A1 WO2012100770 A1 WO 2012100770A1 DE 2012000064 W DE2012000064 W DE 2012000064W WO 2012100770 A1 WO2012100770 A1 WO 2012100770A1
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0098—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means using semiconductor body comprising at least one PN junction as detecting element
Definitions
- the invention relates to an electrical measuring device according to the preamble of claim! ,
- DMS strain gauges
- the substrate consists of an elastically deformable material, preferably of a polymeric material, the hardness of which is smaller than the hardness of that used for the measuring structure
- the invention has for its object to overcome this drawback and a
- the peculiarity of the measuring device according to the invention is that it is designed so that the respective force to be measured and / or each of the pressure to be measured and / or derived therefrom forces or pressures perpendicular or
- piezo-resistive materials are in the context of the invention, such materials or materials with which on support surfaces electrical resistance or
- Measuring structures can be produced, the electrical resistance changes depending on a force and / or pressure on the measuring structure perpendicular or substantially perpendicular to the support surface.
- FIG. 1 in a very simplified schematic sectional view of a
- Fig. 2 in a simplified representation and in section the sensor element of
- Fig. 3 in a simplified representation of a plan view of the sensor element of the figure
- FIG. 4 in a simplified schematic sectional view of a
- FIG. 5 is an enlarged partial detail of the pressure measuring device of Figure 4; Fig. 6 in a very simplified schematic sectional view another
- FIG. 7 in a simplified schematic sectional view of a
- FIG. 8 is an enlarged partial view of the pressure measuring device of Figure 7.
- the figures indicate the axes of a Cartesian coordinate system which are oriented perpendicular to one another, namely the X-axis, Y-axis and Z-axis.
- the force measuring device generally designated 1 in FIG. 1 is used to measure the force F acting between a first functional element 2 (force transducer) and a second functional element 3 (base) of the force measuring device 1 in the Z axis and to generate at least one of the same size Force F dependent, eg to the magnitude of the force F proportional electrical signal.
- the functional element 2 is in the illustrated embodiment, for example, a solid stamp-like element with a flat lying in the XY plane stamp surface 2.1.
- the functional element 3 is in the
- Carrier element e.g. of a metallic material, for example of steel (for example of corrosion-resistant steel or stainless steel) and has in the
- the illustrated embodiment on its upper side also a flat or plane arranged in an XY plane surface 3.1. Furthermore, in the illustrated embodiment, the area 3.1 is larger than the area 2.1, so that the
- Functional element 3 with its surface 3.1 laterally over the functional element 2 and the surface 2.1 is away.
- the surface 2.1 could also be convex in at least one subregion.
- a sensor element 4 is arranged, which essentially consists in the illustrated embodiment of a plate-shaped substrate 5 with a measuring structure 6 on a substrate surface side.
- the substrate surface side and measuring structure 6 or the layer forming this measuring structure are arranged in an XY plane.
- the measuring structure is preferably designed as a meander-like conductor track. Others too Shapes for the measuring structure 6 are possible.
- the substrate 5 is designed in one or more layers in such a way that the measuring structure 6 is electrically separated from the functional element 3.
- the functional element 2 is also e.g. of a metallic material, for example of steel (for example of corrosion-resistant steel or stainless steel) or else the functional element is made entirely of an electrically insulating material.
- the measuring structure 6 is provided at two mutually remote areas each with an electrical connection 8, via which the sensor element 4 and the force measuring device 1 can be connected or connected to a measuring and evaluation electronics 9, u.a. for generating a dependent on the size of the force F measurement signal.
- the measuring and evaluation electronics 9 is preferably at least partially part of the force-measuring device 1.
- the force F acts exclusively on the measuring structure 6 in the direction of the Z-axis or substantially in the direction of the Z-axis, i. in an axial direction perpendicular or substantially perpendicular to the surface of the substrate 5 having the measuring structure 6 and thus perpendicular to the XY-plane in which the measuring structure 6 extends.
- the functional element 2 or the force F exerted on this functional element 2 acts e.g. as evenly as possible on the effective and between the two terminals 8 formed region of the measuring structure 6 limited in the Figure 3 with the broken line 6.1.
- the materials used for the substrate 5, the measuring structure 6 and the insulating layer 7 are selected such that the material hardness and / or the modulus of elasticity of the substrate 5 as well as of the insulating layer 7 are each greater than the material hardness of the material used for the measuring structure 6 , Furthermore, at least the material for the substrate 5 is selected so that during the measurement no or in the Substantially no deformation of the substrate 5 takes place.
- Different materials such as ceramics based on alumina, aluminum nitride, carbide, etc.
- Other materials including composites with appropriate hardness and with electrically insulating properties are suitable for the substrate 5 and / or the insulating layer 7.
- the measuring structure 6 consists of an electrically conductive and / or piezo-resistive material, which is not permanently deformed, at least in the measuring range for which the force-measuring device 1 is designed, but is elastic.
- Piezoresistive material for the measuring structure 6 are suitable i.a. metallic
- Materials e.g. Ni, Cr, Ti, Pt, Cu and / or W and / or their alloys in Belly mixing ratio and / or their oxides and / or nitrides, also materials that are commonly used for the measurement structure of strain gauges, such as copper-nickel Alloys, for example, constantan (eg 54% Cu 45% Ni 1% Mn), nickel-chromium alloys,
- N icromeV e.g., 80% Ni 20% Cr
- platinum-tungsten alloys e.g., 92% Pt 8% W
- platinum about 100% Pt
- titanium compounds e.g. made of titanium hydride.
- a piezoresistive material for the measuring structure 6 are also suitable.
- the application of the measuring structure 6 on the substrate 5 is preferably carried out with the thin-film technology, e.g. by chemical (CVD) and / or physical (PVD) deposition methods and / or sputtering, wherein when using semiconductor material, for example of Si this silicon, either in the form of a thin monocrystalline layer or as a polycrystalline layer, e.g. is applied as a vapor-deposited polycrystalline layer.
- the layer thickness which has the measuring structure 6 in the Z-axis direction, corresponds to the
- the thin-film technology layer thicknesses for example, is klei ner than 40 // m, and is preferably in the range between 10 ⁇ and 20 ⁇
- the respectively desired shape of the measuring structure 6 by structuring a first surface or substantially flat applied Layer produced, for example using the masking and etching technique known in the art, or the application of the measuring structure is carried out using masks.
- Other methods for producing the measuring structure 6 are also possible, for example applying the measuring structure 6 or a layer forming this measuring structure by laminating or bonding a film forming the measuring structure from the piezoresistive materal to the substrate 5.
- the measuring structure 6 using the thick film technology, ie by printing the measuring structure 6 on the substrate 5, for example by screen printing using a piezo resistive material containing paste and then baking the applied paste, with a layer thickness of the measuring structure 6, for example in the range between 10 // m and 100 / m.
- Measuring structure 6 much greater material hardness of the substrate 5 and the
- Insulating layer 7 also comes to no stretching of the measuring structure 6, results between the two terminals 8 dependent on the force F
- Resistance change of the measuring structure 6 is achieved in the force measuring device 1 without a noticeable movement of the functional element 2 relative to the functional element 3.
- the force measuring device 1 is designed for example as a force sensor, which can be used wherever forces F, especially large forces F measured or these forces corresponding measurement signals for a variety of purposes, such as monitoring, control, etc. are required.
- the functional element 3 is provided with means for attaching the sensor, ie for fastening, for example, to machine parts or elements, etc.
- the sensor element 4 is accommodated in the interior of a hood or cup-like housing part 10, in the open side of which the functional element 3 has its sensor element 4 Side is introduced and which is connected at this open side tightly connected to the functional element 3, for example by welding.
- the hood-like housing part 10 is made of a suitable material, for example of a metallic material, such as stainless steel or aluminum, at least at its bottom 10.1 elastically deformable, on the inside lying the stamp-like
- Functional element 2 is attached or formed. In the illustrated embodiment
- the functional element 2 is completely inside the functional element 2
- Housing part 10 added, but it can also protrude through the bottom 10.1 to the outside.
- Figures 4 and 5 show a schematic representation of a pressure sensor formed as a pressure measuring device 1 1 for measuring the pressure of a liquid and / or gaseous and / or vaporous medium.
- Pressure measuring device 1 1 includes i.a. a hood-like housing part 12, which is made of a suitable material, for example of a metallic material, e.g. Made of stainless steel or aluminum, and with such a strength that the housing part 12 at least within the measuring range of
- Pressure measuring device 1 1 is dimensionally stable, i. is not deformed.
- the hood-like housing part 12 is closed at its open side with a closure 1, which has a connection for supplying the medium under pressure, so that in the interior of the housing part 12, a pressure measuring chamber 14 is formed.
- the sensor element 4 On a plane and arranged in an XY plane counter or inner surface 7.1 in the region of the bottom 12.1 of the housing part 12, the sensor element 4 is provided, in such a way that it with its measuring structure 6 against the at least in the region of the sensor element 4 is electrically non-conductive executed, ie
- formed by the insulating layer 7 plane counter or inner surface 7.1 is applied, only with the active area 6.1 of the measuring structure 6, while the measuring structure 6 laterally of the active area 6.1 of the counter or inner surface 7.1 and also spaced from the inner surface of the bottom 12.1 is.
- the terminals 8 are led to the outside. Especially in the area of these holes 15, the measuring structure 6 is spaced from the counter or inner surface 7.1 and inner surface of the bottom 12.1. At the edge of the substrate 5, the gap between the substrate 5 and the inner surface of the bottom portion 12.1 by an annular seal 16 of a permanently elastic material tightly closed. The holes 1 5 are also used to vent the measuring structure 6 receiving and sealed by the seal 16 against the measuring space 14 space between the substrate 5 and the abutment or counter surface 7.1.
- the pressure P prevailing in the pressure measuring chamber 14 acts via the substrate 5 on the measuring structure 6 supported on the insulating layer 7 or on the counter or inner surface 7.1, again in the direction of the Z axis, ie in an axial direction perpendicular to those in XY Levels arranged surface sides of the substrate 5 and in an axial direction perpendicular to the XY plane of the measuring structure 6.
- the terminals 8 are connected to the evaluation and measuring electronics 9, which is at least partially part of the pressure measuring device 1 1 and in an additional housing, not shown the pressure measuring device 1 1 is housed, on which then external connections of the pressure measuring device 1 1 are provided.
- a force measuring device 1 a which differs from the force measuring device 1 essentially only in that the sensor element 4 a is designed as a redundant sensor element and for this purpose two measuring structures 6, preferably two identical measuring structures 6, each on its own substrate 5 having.
- the substrates 5 are stacked with their measuring structures 6, in the direction of the Z-axis, ie in the direction of action of the force F following each other, so that the force F in turn perpendicular or substantially perpendicular to the plane of the respective measuring structures 6 and Level of the surface sides of the substrates 5 acts on both measuring structures.
- the measuring structures 6 are connected in each case via connections 8 and 8a to the evaluation and measuring electronics 9, specifically for the evaluation and / or processing of the measuring signals supplied by the measuring structures.
- Evaluation can be carried out in many different ways, for example in such a way that the output signal of the evaluation and measuring electronics 9 is generated by averaging or averaging of the signals supplied by the measuring structures 6.
- Pressure measuring device 1 1a which differs from the pressure measuring device 1 1 of Figures 4 and 5 essentially only in that the measuring structure 6 is arranged on its support surface, which in turn is formed in the illustrated embodiment of de substrate 5, that the measuring structure 6 is applied directly to the present in the pressure measuring chamber 14 pressure medium or with its pressure.
- the measuring structure 6 is located on the side of the element forming the carrier surface, namely, the pressure measuring chamber 14
- Substrate 5 is provided. In special cases it may be necessary to
- a sensor element 4a corresponding sensor element may also be used with at least two measuring structures 6, and preferably with two in the direction of the Z-axis against each other offset and by an insulating carrier or separating layer, for example by a substrate 5 from each other separated measuring structures 6.
- a measuring structure is then arranged so that they directly or ggs. is applied via a protective layer with the pressure medium existing in the pressure chamber 14 or with the pressure thereof.
- the respective sensor element 4 has only one single measuring structure 6. It is also possible to form the sensor element 4 with a plurality of measuring structures 6, for example also with a plurality of measuring structures 6 forming a resistance bridge, of which at least one measuring structure 6 with the force to be measured or with the pressure to be measured or with forces derived therefrom the above-described manner is applied. Furthermore, there is also the possibility of the
- Measuring structure 6 is provided on a flat surface side. Although this represents a particularly production-friendly solution, but it is also possible embodiments in which the measuring structure is provided curved on a curved surface. All versions but is common that the force and / or Pressure on the at least one measuring structure 6 always only in one
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Abstract
Description
Elektrische Messeinrichtung zur Kraft- und/oder Druckmessung Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Messeinrichtung gemäß Oberbegriff Patentanspruch! . Electrical measuring device for force and / or pressure measurement The invention relates to an electrical measuring device according to the preamble of claim! ,
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 Electrical measuring devices using sensor elements in the form of strain gauges (DMS), each having at least one measuring structure are known. The force- and / or pressure-dependent measurement signal is based on a
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 Changes in the electrical resistance of the respective measuring structure, the (resistance change) in stretching the strain gauge and thus the measurement structure occurs, i. at a load of the respective arranged on an upper surface or support surface of a substrate measuring structure in at least one extending in the surface side axial direction. For this purpose, the substrate consists of an elastically deformable material, preferably of a polymeric material, the hardness of which is smaller than the hardness of that used for the measuring structure
Materials. Nachteilig ist bei bekannten Messeinrichtungen mit Material. A disadvantage of known measuring devices with
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 eineStrain gauges that always a certain way or movement stroke with significant size between two functional element of the measuring device in both the force measurement and the pressure measurement is required, which is not desirable in many cases for various reasons and / or not insignificant design disadvantages. The invention has for its object to overcome this drawback and a
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 Show measuring device that without a movement stroke, but at least without a noticeable movement stroke, i. with an extremely reduced movement stroke compared to the aforementioned known measuring devices, the measurement of forces and / or pressures, i. the generation of force and / or pressure-dependent electrical measurement signals possible. To solve this problem is a
Messeinrichtung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Measuring device designed according to claim 1.
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 The peculiarity of the measuring device according to the invention is that it is designed so that the respective force to be measured and / or each of the pressure to be measured and / or derived therefrom forces or pressures perpendicular or
Bestätigungskopie| im Wesentlichen senkrecht auf die wenigstens eine Messstruktur, d.h. Confirmation copy | substantially perpendicular to the at least one measuring structure, ie
ausschließlich in einer Achsrichtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht auf die wenigstens eine Messstruktur bzw. die diese Messstruktur bildende Fläche einwirken. acting exclusively in an axial direction perpendicular or substantially perpendicular to the at least one measuring structure or the surface forming this measuring structure.
Der Ausdruck„im Wesentlichen" bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von maximal The term "substantially" in the context of the invention means maximum deviations
+ /- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen. + / - 5% and / or deviations in the form of changes that are insignificant for the function.
„Piezo resistiven Materialien" sind im Sinne der Erfindung solche Werkstoffe oder Materialien, mit denen auf Trägerflächen elektrische Widerstands- oder "Piezo-resistive materials" are in the context of the invention, such materials or materials with which on support surfaces electrical resistance or
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. Measuring structures can be produced, the electrical resistance changes depending on a force and / or pressure on the measuring structure perpendicular or substantially perpendicular to the support surface.
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 Further developments, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments and from the figures. All are described and / or illustrated
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. Features alone or in any combination in principle subject of the invention, regardless of their summary in the claims or their dependency. Also, the content of the claims is made an integral part of the description.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the figures of exemplary embodiment. Show it:
Fig. 1 in sehr vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Fig. 1 in a very simplified schematic sectional view of a
Kraftmesseinrichtung gemäß der Erfindung; Force measuring device according to the invention;
Fig. 2 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt das Sensorelement der Fig. 2 in a simplified representation and in section the sensor element of
Kraftmesseinrichtung der Figur 1 ; Force measuring device of Figure 1;
Fig. 3 in vereinfachter Darstellung eine Draufsicht auf das Sensorelement der Figur Fig. 3 in a simplified representation of a plan view of the sensor element of the figure
2; 2;
Fig. 4 in vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Fig. 4 in a simplified schematic sectional view of a
Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung; Pressure measuring device according to the invention;
Fig. 5 eine vergrößerte Teildarsteflung der Druckmesseinrichtung der Figur 4; Fig. 6 in sehr vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine weitere Fig. 5 is an enlarged partial detail of the pressure measuring device of Figure 4; Fig. 6 in a very simplified schematic sectional view another
Ausführungsform der Kraftmesseinrichtung gemäß der Erfindung; Embodiment of the force measuring device according to the invention;
Fig. 7 in vereinfachter schematischer Schnittdarstellung eine Fig. 7 in a simplified schematic sectional view of a
Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung; Pressure measuring device according to the invention;
Fig. 8 eine vergrößerte Teildarstellung der Druckmesseinrichtung der Figur 7. 8 is an enlarged partial view of the pressure measuring device of Figure 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. For ease of description, the figures indicate the axes of a Cartesian coordinate system which are oriented perpendicular to one another, namely the X-axis, Y-axis and Z-axis.
Die in der Figur 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 The force measuring device generally designated 1 in FIG. 1 is used to measure the force F acting between a first functional element 2 (force transducer) and a second functional element 3 (base) of the force measuring device 1 in the Z axis and to generate at least one of the same size Force F dependent, eg to the magnitude of the force F proportional electrical signal. The functional element 2 is in the illustrated embodiment, for example, a solid stamp-like element with a flat lying in the XY plane stamp surface 2.1. The functional element 3 is in the
dargestellten Ausführungsform beispielsweise ein massives Basis- oder illustrated embodiment, for example, a solid base or
Trägerelement, z.B. aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise aus Stahl (z.B. aus korrosionsbeständigem Stahl oder Edelstahl) und weist bei der Carrier element, e.g. of a metallic material, for example of steel (for example of corrosion-resistant steel or stainless steel) and has in the
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 illustrated embodiment on its upper side also a flat or plane arranged in an XY plane surface 3.1. Furthermore, in the illustrated embodiment, the area 3.1 is larger than the area 2.1, so that the
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. Functional element 3 with its surface 3.1 laterally over the functional element 2 and the surface 2.1 is away. In principle, the surface 2.1 could also be convex in at least one subregion.
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-Oberfiächenseite 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 Between the two functional elements 2 and 3 or between the mutually parallel surfaces 2.1 and 3.1, a sensor element 4 is arranged, which essentially consists in the illustrated embodiment of a plate-shaped substrate 5 with a measuring structure 6 on a substrate surface side. The substrate surface side and measuring structure 6 or the layer forming this measuring structure are arranged in an XY plane. The measuring structure is preferably designed as a meander-like conductor track. Others too Shapes for the measuring structure 6 are possible. With the measuring structure 6
abgewandten Oberflächenseite liegt das Substrat 5 gegen die Fläche 3.1 an. the surface facing away from the substrate 5 against the surface 3.1 at.
Grundsätzlich ist hierfür das Substrat 5 ein- oder mehrlagig so ausgeführt, dass die Messstruktur 6 elektrisch von dem Funktionselement 3 getrennt ist. Basically, for this purpose, the substrate 5 is designed in one or more layers in such a way that the measuring structure 6 is electrically separated from the functional element 3.
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. For the electrical separation between the measuring structure 6 and the functional element 2, in the illustrated embodiment, this is provided with an insulating layer 7 on its end face or surface 2.1 facing the sensor element 4 and resting against the measuring structure 6. Otherwise, the functional element 2 is also e.g. of a metallic material, for example of steel (for example of corrosion-resistant steel or stainless steel) or else the functional element is made entirely of an electrically insulating material.
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 anschiießbar 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 . The measuring structure 6 is provided at two mutually remote areas each with an electrical connection 8, via which the sensor element 4 and the force measuring device 1 can be connected or connected to a measuring and evaluation electronics 9, u.a. for generating a dependent on the size of the force F measurement signal. The measuring and evaluation electronics 9 is preferably at least partially part of the force-measuring device 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 Figur 3 mit der unterbrochenen Linie 6.1 begrenzten wirksamen und zwischen den beiden Anschlüssen 8 gebildeten Bereich der Messstruktur 6 ein. Via the insulating layer 7, the force F acts exclusively on the measuring structure 6 in the direction of the Z-axis or substantially in the direction of the Z-axis, i. in an axial direction perpendicular or substantially perpendicular to the surface of the substrate 5 having the measuring structure 6 and thus perpendicular to the XY-plane in which the measuring structure 6 extends. With the surface 2.1, the functional element 2 or the force F exerted on this functional element 2 acts e.g. as evenly as possible on the effective and between the two terminals 8 formed region of the measuring structure 6 limited in the Figure 3 with the broken line 6.1.
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 Isol ierschicht 7 eignen sich beispielsweise Keramiken The materials used for the substrate 5, the measuring structure 6 and the insulating layer 7 are selected such that the material hardness and / or the modulus of elasticity of the substrate 5 as well as of the insulating layer 7 are each greater than the material hardness of the material used for the measuring structure 6 , Furthermore, at least the material for the substrate 5 is selected so that during the measurement no or in the Substantially no deformation of the substrate 5 takes place. As a material for the substrate 5 and the insulating layer 7, for example, ceramics are suitable
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. Different materials, such as ceramics based on alumina, aluminum nitride, carbide, etc. Other materials, including composites with appropriate hardness and with electrically insulating properties are suitable for the substrate 5 and / or the insulating layer 7.
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 The measuring structure 6 consists of an electrically conductive and / or piezo-resistive material, which is not permanently deformed, at least in the measuring range for which the force-measuring device 1 is designed, but is elastic. When
piezoresistives Material für die Messstruktur 6 eignen sich u.a. metallische Piezoresistive material for the measuring structure 6 are suitable i.a. metallic
Werkstoffe, z.B. Ni, Cr, Ti, Pt, Cu und/oder W und/oder deren Legierungen in bel iebigen 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, Materials, e.g. Ni, Cr, Ti, Pt, Cu and / or W and / or their alloys in Belly mixing ratio and / or their oxides and / or nitrides, also materials that are commonly used for the measurement structure of strain gauges, such as copper-nickel Alloys, for example, constantan (eg 54% Cu 45% Ni 1% Mn), nickel-chromium alloys,
beispielsweise N ichromeV (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 For example, N icromeV (e.g., 80% Ni 20% Cr), platinum-tungsten alloys (e.g., 92% Pt 8% W) or platinum (about 100% Pt), titanium compounds, e.g. made of titanium hydride. As a piezoresistive material for the measuring structure 6 are also suitable
Halbleitermaterialien, z.B. p-dotiertes Silizium (z.B. Si lizium dotiert mit ppm- Bereiche) oder n-dotiertes Silizium (z.B. Sil iziumdotiert 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 Si lizium dieses entweder in Form einer dünnen monokristallinen Schicht oder aber als polykristal line Schicht, z.B. als aufgedampfte polykristal line Schicht aufgebracht wird. Die Schichtdicke, die die Messstruktur 6 in Richtung der Z-Achse aufweist, entspricht dabei den Semiconductor materials, e.g. p-doped silicon (e.g., silicon doped with ppm regions) or n-doped silicon (e.g., silicon doped with phosphorous in the ppm range). The application of the measuring structure 6 on the substrate 5 is preferably carried out with the thin-film technology, e.g. by chemical (CVD) and / or physical (PVD) deposition methods and / or sputtering, wherein when using semiconductor material, for example of Si this silicon, either in the form of a thin monocrystalline layer or as a polycrystalline layer, e.g. is applied as a vapor-deposited polycrystalline layer. The layer thickness, which has the measuring structure 6 in the Z-axis direction, corresponds to the
übl icherweise mit der Dünnschichttechnologie erzielten Schichtdicken, ist beispielsweise klei ner als 40 //m, und liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 10 μνη und 20 μνη, 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 Bonden einer die Messstruktur bildenden Folie aus dem piezo resistiven Matertal auf das 5ubstrat 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 //m und 100/ m. Usually I have achieved with the thin-film technology layer thicknesses, for example, is klei ner than 40 // m, and is preferably in the range between 10 μνη and 20 μνη, The respectively desired shape of the measuring structure 6 by structuring a first surface or substantially flat applied Layer produced, for example using the masking and etching technique known in the art, or the application of the measuring structure is carried out using masks. Other methods for producing the measuring structure 6 are also possible, for example applying the measuring structure 6 or a layer forming this measuring structure by laminating or bonding a film forming the measuring structure from the piezoresistive materal to the substrate 5. Furthermore, it is also possible to use the measuring structure 6 using the thick film technology, ie by printing the measuring structure 6 on the substrate 5, for example by screen printing using a piezo resistive material containing paste and then baking the applied paste, with a layer thickness of the measuring structure 6, for example in the range between 10 // m and 100 / m.
Obwohl die Krafteinwirkung auf die Messstruktur 6 ausschließlich senkrecht zur XY-Ebene dieser Messstruktur erfolgt und es aufgrund der im Vergleich zur Although the force acting on the measuring structure 6 is exclusively perpendicular to the XY plane of this measuring structure and it is due to the compared to
Messstruktur 6 sehr viel größeren Materialhärte des Substrates 5 und der Measuring structure 6 much greater material hardness of the substrate 5 and the
Isolierschicht 7 auch zu keiner Dehnung der Messstruktur 6 kommt, ergibt sich zwischen den beiden Anschlüssen 8 ein von der Kraft F abhängiger Insulating layer 7 also comes to no stretching of the measuring structure 6, results between the two terminals 8 dependent on the force F
unterschiedlicher elektrischer Widerstand, der als Messgröße in der Mess- und Auswertelektronik 9 ausgewertet wird. Die von der Kraft F abhängige different electrical resistance, which is evaluated as a measured variable in the measuring and evaluation electronics 9. The dependent of the force F
Widerstandsänderung der Messstruktur 6 wird bei der Kraftmesseinrichtung 1 ohne eine merkbare Bewegung des Funktionselementes 2 relativ zum Funktionselement 3 erreicht. Resistance change of the measuring structure 6 is achieved in the force measuring device 1 without a noticeable movement of the functional element 2 relative to the functional element 3.
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 The force measuring device 1 is designed for example as a force sensor, which can be used wherever forces F, especially large forces F measured or these forces corresponding measurement signals for a variety of purposes, such as monitoring, control, etc. are required. When the force measuring device 1 is designed as a force measuring sensor, the functional element 3 is provided with means for attaching the sensor, ie for fastening, for example, to machine parts or elements, etc. The sensor element 4 is accommodated in the interior of a hood or cup-like housing part 10, in the open side of which the functional element 3 has its sensor element 4 Side is introduced and which is connected at this open side tightly connected to the functional element 3, for example by welding. The hood-like housing part 10 is made of a suitable material, for example of a metallic material, such as stainless steel or aluminum, at least at its bottom 10.1 elastically deformable, on the inside lying the stamp-like
Funktionselement 2 befestigt oder ausgebildet ist. Bei der dargestellten Functional element 2 is attached or formed. In the illustrated
Ausführungsform ist das Funktionselement 2 vollständig im Inneren des Embodiment, the functional element 2 is completely inside the
Gehäuseteils 10 aufgenommen, es kann aber auch durch den Boden 10.1 nach außen vorstehen. Housing part 10 added, but it can also protrude through the bottom 10.1 to the outside.
Die Figuren 4 und 5 zeigen in schematischer Darstellung eine als Drucksensor ausgebildete Druckmesseinrichtung 1 1 zur Messung des Drucks eines flüssigen und/oder gasförmigen und/oder dampfförmigen Mediums. Die Figures 4 and 5 show a schematic representation of a pressure sensor formed as a pressure measuring device 1 1 for measuring the pressure of a liquid and / or gaseous and / or vaporous medium. The
Druckmesseinrichtung 1 1 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 Pressure measuring device 1 1 includes i.a. a hood-like housing part 12, which is made of a suitable material, for example of a metallic material, e.g. Made of stainless steel or aluminum, and with such a strength that the housing part 12 at least within the measuring range of
Druckmesseinrichtung 1 1 formstabil ist, d.h. nicht verformt wird. Das haubenartige Gehäuseteil 12 ist an seiner offenen Seite mit einem Abschluss 1 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. Pressure measuring device 1 1 is dimensionally stable, i. is not deformed. The hood-like housing part 12 is closed at its open side with a closure 1, which has a connection for supplying the medium under pressure, so that in the interior of the housing part 12, a pressure measuring chamber 14 is formed. On a plane and arranged in an XY plane counter or inner surface 7.1 in the region of the bottom 12.1 of the housing part 12, the sensor element 4 is provided, in such a way that it with its measuring structure 6 against the at least in the region of the sensor element 4 is electrically non-conductive executed, ie For example, formed by the insulating layer 7 plane counter or inner surface 7.1 is applied, only with the active area 6.1 of the measuring structure 6, while the measuring structure 6 laterally of the active area 6.1 of the counter or inner surface 7.1 and also spaced from the inner surface of the bottom 12.1 is.
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 1 5 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 Gegenoder 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 1 1 ist und in einem nicht dargestellten zusätzlichen Gehäuse der Druckmesseinrichtung 1 1 untergebracht ist, an welchem dann auch äußere Anschlüsse der Druckmesseinrichtung 1 1 vorgesehen sind. Die Figur 6 zeigt als weitere Ausführungsform eine Kraftmesseinrichtung 1 a, 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 Through holes 15 in the bottom 12.1, the terminals 8 are led to the outside. Especially in the area of these holes 15, the measuring structure 6 is spaced from the counter or inner surface 7.1 and inner surface of the bottom 12.1. At the edge of the substrate 5, the gap between the substrate 5 and the inner surface of the bottom portion 12.1 by an annular seal 16 of a permanently elastic material tightly closed. The holes 1 5 are also used to vent the measuring structure 6 receiving and sealed by the seal 16 against the measuring space 14 space between the substrate 5 and the abutment or counter surface 7.1. The pressure P prevailing in the pressure measuring chamber 14 acts via the substrate 5 on the measuring structure 6 supported on the insulating layer 7 or on the counter or inner surface 7.1, again in the direction of the Z axis, ie in an axial direction perpendicular to those in XY Levels arranged surface sides of the substrate 5 and in an axial direction perpendicular to the XY plane of the measuring structure 6. The terminals 8 are connected to the evaluation and measuring electronics 9, which is at least partially part of the pressure measuring device 1 1 and in an additional housing, not shown the pressure measuring device 1 1 is housed, on which then external connections of the pressure measuring device 1 1 are provided. FIG. 6 shows, as a further embodiment, a force measuring device 1 a, which differs from the force measuring device 1 essentially only in that the sensor element 4 a is designed as a redundant sensor element and for this purpose two measuring structures 6, preferably two identical measuring structures 6, each on its own substrate 5 having. The substrates 5 are stacked with their measuring structures 6, in the direction of the Z-axis, ie in the direction of action of the force F following each other, so that the force F in turn perpendicular or substantially perpendicular to the plane of the respective measuring structures 6 and Level of the surface sides of the substrates 5 acts on both measuring structures. The measuring structures 6 are connected in each case via connections 8 and 8a to the evaluation and measuring electronics 9, specifically for the evaluation and / or processing of the measuring signals supplied by the measuring structures. These
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 Evaluation can be carried out in many different ways, for example in such a way that the output signal of the evaluation and measuring electronics 9 is generated by averaging or averaging of the signals supplied by the measuring structures 6. Preferably, the evaluation of the supplied from the measuring structures 6
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 1 a erreichbar, beispielsweise eine Erweiterung des Measuring signals but so that their size and / or time course in the evaluation and measuring electronics 9 compared and for deviations that are outside a predetermined tolerance, closed on a fault or a defect of the sensor element 4a or a corresponding error signal in the evaluation - And measuring electronics 9 is generated. Since the measuring structures 6 Only perpendicular or substantially perpendicular to the force F are applied and no deformation of the carrier or substrates 5 takes place, a redundant measurement in an optimal manner can be realized. Basically, by the formation of the sensor element 4a with at least two parallel or substantially parallel and in the direction of action of the force F offset from each other and simultaneously acted upon with this force F measuring structures 6 other properties for the sensor element 4a and the force measuring device 1 a reach, for example a Extension of the
Messbereichs des Sensorelementes 4a bzw. der Kraftmesseinrichtung 1 a 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. Measuring range of the sensor element 4a and the force measuring device 1 a by the use of measuring structures 6, which are respectively suitable for different portions of the measuring range or formed, even with such or similar embodiment of the measuring device to achieve redundant measurements in each case one and the same measurement structure 6 is provided twice.
Es versteht sich, dass das Sensorelement 4a mit den wenigstens zwei Messstrukturen auch bei der Druckmesseinrichtung 1 1 anstelle des dortigen Sensorelementes 4 mit den vorgenannten Vorteilen verwendet werden kann. Die Figuren 7 und 8 zeigen in Darstellungen ähnlich den Figuren 4 und 5 eineIt is understood that the sensor element 4a with the at least two measuring structures can also be used in the pressure measuring device 1 1 instead of the local sensor element 4 with the aforementioned advantages. Figures 7 and 8 show in views similar to Figures 4 and 5 a
Druckmesseinrichtung 1 1a, die sich von der Druckmesseinrichtung 1 1 der Figuren 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 Pressure measuring device 1 1a, which differs from the pressure measuring device 1 1 of Figures 4 and 5 essentially only in that the measuring structure 6 is arranged on its support surface, which in turn is formed in the illustrated embodiment of de substrate 5, that the measuring structure 6 is applied directly to the present in the pressure measuring chamber 14 pressure medium or with its pressure. For this purpose, the measuring structure 6 is located on the side of the element forming the carrier surface, namely, the pressure measuring chamber 14
Substrates 5 vorgesehen. In speziellen Fällen kann es notwendig sein, die Substrate 5 is provided. In special cases it may be necessary to
Messstruktur 6 durch eine Schutzschicht abzudecken, beispielsweise gegenüber einem elektrisch leitenden und/oder aggressiven Druckmedium im Druckmessraum 14. Cover 6 by a protective layer, for example, against an electrically conductive and / or aggressive pressure medium in the pressure measuring chamber 14th
Bei der Druckmesseinrichtung 1 1 a 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. In the pressure measuring device 11a, a sensor element 4a corresponding sensor element may also be used with at least two measuring structures 6, and preferably with two in the direction of the Z-axis against each other offset and by an insulating carrier or separating layer, for example by a substrate 5 from each other separated measuring structures 6. A measuring structure is then arranged so that they directly or ggs. is applied via a protective layer with the pressure medium existing in the pressure chamber 14 or with the pressure thereof.
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. The invention has been described above by means of exemplary embodiments. It is understood that numerous changes and modifications are possible without thereby departing from the inventive concept underlying the invention.
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 Thus, it was assumed above that the respective sensor element 4 has only one single measuring structure 6. It is also possible to form the sensor element 4 with a plurality of measuring structures 6, for example also with a plurality of measuring structures 6 forming a resistance bridge, of which at least one measuring structure 6 with the force to be measured or with the pressure to be measured or with forces derived therefrom the above-described manner is applied. Furthermore, there is also the possibility of the
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 Material härte versehen ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, bei der Kraftmesseinrichtung 1 die wenigstens eine Messstruktur 6 unmittelbar auf dem das Gegenlager bildende Insulate layer 7, provided that the stamp-like functional element 2 and / or at least the bottom portion 12.1 of the housing part 12 are made of an electrically non-conductive material and / or provided the measuring structure 6 on its side facing away from the substrate 5 with an electrically insulating layer corresponding material hardness is. It is also possible, in the force measuring device 1, the at least one measuring structure 6 directly on the counter-bearing forming
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. Apply functional element 3 or on the local area 3.1, provided that the functional element 3 is at least on the surface 3.1 electrically non-conductive.
Weiterhin wurde vorstehend davon ausgegangen, dass die wenigstens eine Furthermore, it was assumed above that the at least one
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 Measuring structure 6 is provided on a flat surface side. Although this represents a particularly production-friendly solution, but it is also possible embodiments in which the measuring structure is provided curved on a curved surface. All versions but is common that the force and / or Pressure on the at least one measuring structure 6 always only in one
Achsrichtung Z-Achse oder im Wesentliche in der Z-Achse erfolgt, die senkrecht auf die Ebene der Messstruktur 6 gerichtet ist. Axial direction Z-axis or substantially takes place in the Z-axis, which is directed perpendicular to the plane of the measuring structure 6.
Bezugszeichen liste Reference number list
I , 1 a Kraftmesseinrichtung I, 1 a force measuring device
2, 3 Funktionselement 2, 3 functional element
2.1 Fläche bzw. Anlage- oder Gegenfläche 2.1 area or investment or mating surface
3.1 Fläche des Funktionselementes 3 3.1 surface of the functional element 3
4, 4a Sensorelement 4, 4a sensor element
5 Substrat 5 substrate
6 Messstruktur 6 measuring structure
7 Isolierschicht 7 insulating layer
7.1 Fläche der Isolierschicht 7 bzw. Anlage- oder Gegenfläche 7.1 surface of the insulating layer 7 or investment or mating surface
8 Anschluss 8 connection
9 Auswert- und Messelektronik 9 evaluation and measuring electronics
10 napfartiges Gehäuseteil 10 cup-shaped housing part
10.1 Boden des Gehäuseteils 10 10.1 bottom of the housing part 10
I I , 1 1 a Druckmesseinrichtung I I, 1 1 a pressure measuring device
12 napfartiges Gehäuseteil 12 cup-shaped housing part
12.1 Boden des Gehäuseteils 12 12.1 bottom of the housing part 12th
13 Gehäuseteil 13 housing part
14 Druckmessraum 14 pressure measuring chamber
15 Bohrung 15 hole
16 Dichtung F Kraft 16 gasket F force
P Druck P pressure
X, Y, Z Raumachsen X, Y, Z spatial axes
Claims
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