DE3874884T2

DE3874884T2 - Elektrischer kraft- und/oder verformungsmessfuehler, insbesondere zum gebrauch als druckmessfuehler.

Info

Publication number: DE3874884T2
Application number: DE8888830166T
Authority: DE
Inventors: Acqua Roberto Dell
Original assignee: Marelli Autronica SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1988-04-21
Filing date: 1988-04-21
Publication date: 1993-04-29
Anticipated expiration: 2008-04-22
Also published as: ES2035360T3; EP0338180A1; GR3005777T3; DE3874884D1; EP0338180B1; ATE80942T1

Description

Diese Erfindung betrifft einen elektrischen Kraft- und/oder Deformationsfühler, der besonders für eine Verwendung als Druckfühler geeignet ist, wie er im Oberbegriff von Anspruch 1 festgelegt ist.
US-A-4,528,855 und US-A-4,654,621 offenbaren derartige Wandler, bei denen die ausgeschnittene Tragplatte aus einem Plättchen aus einem Halbleitermaterial und die Fühlerelemente aus Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen bestehen, die gemeinsam mit dem Plättchen aufgebaut sind. Die Herstellung dieser Wandler ist kompliziert und teuer, da die verwendeten Grundmateralien ziemlich kostspielig und die erforderlichen Techniken sehr hochentwickelt sind.
Bei anderen bekannten Fühlern, die früher angegeben wurden und besonders als Druckfühler Verwendung finden, werden Piezowiderstands-Meßfühler auf einer Fläche eines dünnen Schichtmaterials, z.B. eines keramischen Materials, im Siebdruck aufgebracht. Diese Schicht wird dann zwischen zwei steifen Halbschalen eingeklemmt, die gleichfalls beispielsweise aus einem keramischen Material bestehen. Die beiden Halbschalen bilden miteinander eine Kapsel, wobei eine Halbschale üblicherweise eine Öffnung besitzt, um eine Verbindung mit einer Umgebung herzustellen, deren Druck ermittelt werden soll.
Diese bekannten Fühler besitzen somit eine Vielzahl von Teilen (Schichten, Halbschalen), die miteinander verklebt werden müssen, z.B. durch die Verwendung eines glasharten Kitts, der in einem Ofen ausgehärtet wird. Weiters ist bei diesen bekannten Fühlern das Verbinden der Piezowiderstands-Elemente mit externen Speise- und Verarbeitungskreisen mit dem Aufbringen, beispielsweise im Siebdruck, von Leiterbahnen auf der verformbaren Schicht, die die Piezowiderstands-Elemente trägt, sowie auf zumindest einer der Halbschalen verknüpft, die die Kapsel bilden. Die Verbindung der Leiterbahnen von dieser Halbschale mit den Leiterbahnen auf der Schicht, die die Piezowiderstands-Elemente trägt erfordert damit spezielle Einrichtungen, und Vorgänge, beispielsweise die Verwendung von metallisierten Öffnungen in der Halbschale.
Im Hinblick auf die obige Beschreibung sind die bekannten Fühler im allgemeinen kompliziert und in der Fertigung teuer.
Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen elektrischen Fühler zu erzeugen, wie er oben festgelegt wurde, der einen sehr einfachen Aufbau, kleine Abmessungen und geringes Gewicht sowie niedrige Produktionskosten besitzt.
Erfindungsgemäß wird der Gegenstand dieser Erfindung mit Hilfe eines elektrischen Kraft- und/oder Deformationsfühlers erreicht, der jene Merk- male besitzt die im Anspruch festgelegt sind.
Beim Fühler gemäß der Erfindung wird der Tragaufbau auf ein einziges Keramikstück vermindert. Der Aufbau des Fühlers ist stark vereinfacht. Weiters werden sowohl die Piezowiderstandselemente als auch die Leiterbahnen für die Verbindung mit Speise- und/oder Verarbeitungskreisen im Siebdruck auf einer einzigen Fläche aufgebracht, d.h. auf der Fläche der steifen Platte gegenüber jener Fläche, auf der die Ausnehmung ausgebildet ist.
Weitere Merkmale und Vorteile des Fühlers gemäß der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung eines nichteinschränkenden Beispiels und im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
Fig. 1 den Schrägriß eines Fühlers gemäß dieser Erfindung;
Fig. 2 den Schnitt entlang der Achse II-II von Fig. 1; und
Fig. 3 einen der Fig. 2 ähnlichen Schnitt, in dem eine andere Ausführungsform des Fühlers gemäß der Erfindung dargestellt ist.
Im Zusammenhang mit Fig. 1 enthält ein elektrischer Kraft- und/oder Deformationsfühler, im besonderen ein Druckfühler, erfindungsgemäß eine steife Tragplatte (1), die aus einem keramischen Material hergestellt wird. Wie besonders Fig. 2 zeigt ist in einer Fläche der Platte (1) eine Ausnehmung (2) ausgebildet, deren Bodenwand (2a) dünn ist und unter der Wirkung einer Kraft oder eines Drucks elastisch verformt werden kann, die gemessen werden sollen.
Die Platte 1 kann eine Dicke von beispielsweise 1,5 bis 3mm besitzen. Die Dicke der Bodenwand (2a) der Ausnehmung beträgt beispielsweise 150 bis 200 Mikron.
Die Ausnehmung (2) ist vorzugsweise zylindrisch oder schwach kegelstumpfförmig mit einem Querschnitt ausgebildet, der allmählich zur Bodenwand (2a) kleiner wird.
Bei der gezeigten Ausführungsform werden vier Dickfilmwiderstände R, die als Piezowiderstands-Meßfühler arbeiten, auf der anderen Fläche (1b) der Platte (1) im Siebdruck aufgebracht. Diese Widerstände können miteinander verbunden werden, um beispielsweise eine Wheatstone-Brückenschaltung zu bilden. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen Widerständen werden von Leiterbahnen C gebildet, die gleichfalls auf der Fläche (1b) der Platte im Siebdruck aufgebracht werden.
Die Widerstände R werden in einem Bereich aufgebracht, der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen (1c) versehen ist und der Bodenwand 2a der Ausnehmung (2) entspricht. Diese Wand wirkt damit tatsächlich als elastisch verformbares Element, das durch die Kräfte oder Drücke, die gemessen werden sollen, entsprechende Verformungen der Widerstände R und damit Änderungen ihres Widerstandswerts hervorrufen kann.
Die Widerstände R sind mit einem Verarbeitungskreis verbunden, der in Fig. 1 allgemein mit der Bezugsziffer (3) versehen ist und vorteilhaft, beispielsweise mit einer Hybridschaltungstechnik, auf jener Fläche (1b) der Platte (1) hergestellt werden kann, auf der die Widerstände aufgebracht sind. Die Verbindung zwischen den Widerständen R und dem Verarbeitungskreis (3) erreicht man mit Leiterbahnen C, die im Siebdruck aufgebracht werden.
Der Kreis (3) kann beispielsweise einen Operationsverstärker aufweisen, um die Spannung zwischen zwei gegenüberliegenden Scheiteln der Brückenschaltung zu verstärken, die von den Widerständen gebildet wird.
Der Kreis (3) kann mit Schaltkreisen außerhalb des Fühlers sowie einer Spannungsversorgung über weitere Leiterbahnen D (Fig. 1) verbunden werden.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Fühler besitzt eine offene Ausnehmung (2), wobei er dazu vorgesehen ist, um beispielsweise relative Drücke zu messen. Um relative Drücke bei einer bestimmten Umgebung zu messen, kann die Ausnehmung (2) mit der Umgebung beispielsweise mit Hilfe eines kleinen Rohrs verbunden werden, von dem ein Ende mit einem Preßsitz in die Öffnung der Ausnehmung (2) eingesetzt oder anders befestigt wird.
Um Absolutdrücke zu messen, kann der oben beschriebene Fühler so abgeändert werden, wie dies Fig. 3 zeigt. Bei dieser Ausführungsform besitzt die Platte 1 gleichfalls eine Ausnehmung (2), die jedoch eine Öffnung (2b) mit kleineren Querabmessungen als die Ausnehmung besitzt. Diese Öffnung wird beispielsweise mit einem Tropfen Zinn (4) verschlossen und abgedichtet.
Auf diese Weise wird in der Platte (1) ein Hohlraum (5) gebildet, der gasdicht abgeschlossen ist. Wenn in diesem Hohlraum mit bekannten Vorrichtungen ein Unterdruck erzeugt wird, liefert der auf diese Weise erzeugte Fühler Anzeigen für den gemessenen absoluten Druck.
Der Fühler gemäß der Erfindung besitzt viele Vorteile.
In erster Linie besteht der Aufbau des Fühlers nur aus einem Stück, das leicht hergestellt werden kann, beispielsweise durch Gießen oder Sintern. Befestigungs- und Klebevorgänge sind daher nicht erforderlich, wie dies bei Fühlern gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß alle Siebdruckvorgänge auf einer einzigen Fläche ausgeführt werden, d.h. auf der Fläche (1b) der Tragplatte (1).
Weiters sind die Gesamtabmessungen und das Gewicht des Fühlers extrem klein, wobei die Herstellung des Fühlers im allgemeinen einfacher und wirtschaftlicher ist.

Claims

1. Elektrischer Kraft- und/oder Deformationsfühler, der besonders für eine Verwendung als Druckfühler geeignet ist, wobei der Fühler einen Tragaufbau (1) enthält, der ein Element (2a) aufweist, das durch eine Kraft oder einen Druck, die gemessen werden sollen, elastisch verformbar ist, und auf dem zumindest ein Piezowiderstands-Meßfühler (R) aufgebracht wird, wobei der Aufbau weiter eine elektrische Leitereinrichtung (C) trägt die mit dem zumindest einen Meßfühler (R) verbunden und so eingerichtet ist, daß dieser mit einem Speise- und Verarbeitungskreis (3) verbunden werden kann;

wobei der Tragaufbau eine steife Platte (1) aufweist, bei der auf einer Fläche (1a) eine Ausnehmung (2) ausgebildet ist, deren Bodenwand (2a) dünn ist und unter der Wirkung einer Kraft oder eines Drucks elastisch verformt werden kann, die gemessen werden sollen, wobei der zumindest eine Meßfühler (R) auf der anderen Fläche (1b) der Platte (1) in Übereinstimmung mit der Bodenwand (2a) der Ausnehmung (2) vorgesehen ist, wobei die Leitereinrichtung (C) weiter auf der anderen Fläche (1b) der Platte (1) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die steife Platte (1) aus einem keramischen Material besteht, und daß zumindest ein Piezowiderstands-Meßfühler (R) ein Dickfilmwiderstand ist, der im Siebdruck auf der Platte (1) aufgebracht wird, und wobei die Leitereinrichtung (C) Leiterbahnen enthält, die gleichfalls im Siebdruck auf der anderen Fläche (1b) der Platte (1) aufgebracht werden.

2. Fühler gemäß Anspruch 1, besonders zum Messen von relativen Drücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (2) offen ist.

3. Fühler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (2) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist.

4. Fühler gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (2) im wesentlichen kegelstumpfförmig oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet ist, wobei die Querabmessungen zur Bodenwand (2a) kleiner werden.

5. Fühler gemäß Anspruch 1, besonders für die Messung von absoluten Drücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (2b) der Ausnehmung (2) mit einer gasdichten Dichtungseinrichtung (4) verschlossen wird, um in der Dicke der Platte (1) einen geschlossenen Hohlraum (5) auszubilden, in dem ein Unterdruck erzeugt werden kann.

6. Fühler gemäß jedem der bishengen Ansprüche, wobei der Tragaufbau (1) weiter einen Schaltkreis (3) trägt um die Signale zu liefern und/oder zu verarbeiten, die von dem zumindest einen Meßfühler (R) geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis (3) auf jener Fläche (1b) der Platte (1) aufgebracht wird, auf der der zumindest eine Meßfühler (R) aufgebracht wird.

7. Fühler gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltkreis mit einer Hybridschaltungstechnik erzeugt wird.