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DE102011105539A1 - Device e.g. piezoresistive force sensor for converting force into electrical signal, introduces total force of force introduction element into the sensitive layer over force introduction surfaces - Google Patents

Device e.g. piezoresistive force sensor for converting force into electrical signal, introduces total force of force introduction element into the sensitive layer over force introduction surfaces Download PDF

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DE102011105539A1
DE102011105539A1 DE201110105539 DE102011105539A DE102011105539A1 DE 102011105539 A1 DE102011105539 A1 DE 102011105539A1 DE 201110105539 DE201110105539 DE 201110105539 DE 102011105539 A DE102011105539 A DE 102011105539A DE 102011105539 A1 DE102011105539 A1 DE 102011105539A1
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DE
Germany
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force
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layer
force introduction
introduction element
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DE201110105539
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DE102011105539B4 (en
DE102011105539A8 (en
Inventor
Wolfgang Kurt Brode
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Siegert Thinfilm Tech GmbH
Original Assignee
Siegert Thinfilm Tech GmbH
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Abstract

The device (1) has a flat substrate (10) which is arranged with a sensitive layer (12) such that the force (22) introduced into the sensitive layer is converted into an electrical signal. The total force of the force introduction element (20) is introduced into the sensitive layer over force introduction surfaces. The insulation layer (14) and patterned layer are arranged between the sensitive layer and force introduction element.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft in ein elektrisches Signal, insbesondere einen piezoresistiven Kraftsensor.The invention relates to a device for converting a force into an electrical signal, in particular a piezoresistive force sensor.

Derartige Vorrichtungen werden entweder unmittelbar als Kraftsensor oder beispielsweise auch als Druck- oder Beschleunigungssensoren eingesetzt, wobei durch einen geeigneten Verformungskörper die zu messende Größe in eine Kraft gewandelt wird. Die sensitive Schicht kann auf unterschiedlichen Signalwandlungsprinzipien beruhen, beispielsweise kann die Kraft in eine Änderung des elektrischen Widerstandes gewandelt werden (piezoresistives Prinzip), in eine Änderung der Kapazität (kapazitives Prinzip) oder in eine Änderung der elektrischen Polarisation oder elektrischen Ladung (piezoelektrisches Prinzip).Such devices are used either directly as a force sensor or for example as a pressure or acceleration sensors, wherein the size to be measured is converted into a force by a suitable deformation body. The sensitive layer can be based on different signal conversion principles, for example, the force can be converted into a change in electrical resistance (piezoresistive principle), in a change in capacitance (capacitive principle) or in a change in electrical polarization or electric charge (piezoelectric principle).

Bestimmte piezoresistive Werkstoffe verändern ihre elektrische Leitfähigkeit bei einwirkenden isostatischen Drücken, d. h. bei Drücken, die aus mehreren oder sogar allen Richtungen gleichzeitig auf das sensitive Element einwirken. So zeigen beispielsweise bestimmte Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierungen eine Empfindlichkeit von 2 × 10–6/bar, entsprechend 2 × 10–11/Pa, womit Drücke im Bereich einiger 1.000 bar gemessen werden können mit Widerstandsänderungen von beispielsweise 0,2% pro 1.000 bar.Certain piezoresistive materials change their electrical conductivity when isostatic pressures are applied, ie at pressures acting on the sensitive element from several or even all directions at the same time. For example, certain copper-manganese (nickel) alloys exhibit a sensitivity of 2 × 10 -6 / bar, corresponding to 2 × 10 -11 / Pa, whereby pressures in the range of a few thousand bars can be measured with resistance changes of, for example, 0.2 % per 1,000 cash.

Ein Problem, mit solchen piezoresistiven Werkstoffen Kräfte zu messen, besteht darin, die zu messende Kraft in geeigneter Weise in das Messelement einzuleiten. In Abhängigkeit von der Oberflächentopografie und/oder der Ausrichtung von Messelementeträger einerseits und der Richtung der zu messenden Kraft andererseits werden mechanisch nur Teile der Messstruktur mit der zu bestimmenden Kraft belastet. Dadurch wird die Genauigkeit und auch die Reproduzierbarkeit der Messung herabgesetzt.One problem with measuring forces with such piezoresistive materials is to introduce the force to be measured into the measuring element in a suitable manner. Depending on the surface topography and / or the alignment of the measuring element carrier on the one hand and the direction of the force to be measured on the other hand, only parts of the measuring structure are mechanically loaded with the force to be determined. This reduces the accuracy and reproducibility of the measurement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet, insbesondere noch vielseitiger einsetzbar ist und einen dauerhaft zuverlässigen Betrieb mit hoher Reproduzierbarkeit des Messsignals und mit hoher Messgenauigkeit gewährleistet.The invention has for its object to provide a device which overcomes the disadvantages of the prior art, in particular even more versatile and ensures a permanently reliable operation with high reproducibility of the measurement signal and with high accuracy.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.This object is achieved by the device defined in claim 1. Particular embodiments of the invention are defined in the subclaims.

In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung zum Wandeln einer Kraft in ein elektrisches Signal, beispielsweise ein piezoresistiver Kraftsensor, ein flächiges Substrat und eine darauf angeordnete und vorzugsweise strukturierte sensitive Schicht auf. Die sensitive Schicht wandelt die eingeleitete Kraft in ein elektrisches Signal, beispielsweise in eine Änderung des elektrischen Widerstandes. Die Vorrichtung weist außerdem ein Krafteinleitungselement auf, das über mindestens eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche die gesamte Kraft des Krafteinleitungselements flächig in die sensitive Schicht einleitet.In one embodiment, the device for converting a force into an electrical signal, for example a piezoresistive force sensor, has a planar substrate and a sensitive layer arranged thereon and preferably structured. The sensitive layer converts the introduced force into an electrical signal, for example, a change in the electrical resistance. The device also has a force introduction element which, via at least one predetermined and delimited force introduction surface, initiates the entire force of the force introduction element flatly into the sensitive layer.

Vorzugsweise wird die zu messende Kraft über das Krafteinleitungselement ganzflächig oder jedenfalls über mehr als 85%, insbesondere mehr als 95% der Fläche der sensitiven Schicht in die sensitive Schicht eingeleitet. Das flächige Substrat kann beispielsweise durch eine Keramikplatte gebildet sein. Es können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen im Nutzen auf einer gemeinsamen Platte oder in einem Wafer- oder Scheibenverbund hergestellt sein und nach Ende des Herstellungsvorganges sind die Vorrichtungen durch Zerkleinern der Platte bzw. des Wafers oder der Scheibe vereinzelt. Alternativ hierzu können die Vorrichtungen auch auf bereits vereinzelten Substraten hergestellt werden. Die sensitive Schicht kann unmittelbar auf das Substrat oder unter Zwischenlage einer Isolationsschicht oder eines Isolationsschichtensystems, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht, aufgebracht sein.Preferably, the force to be measured is introduced over the force introduction element over the entire surface or at least over more than 85%, in particular more than 95%, of the surface of the sensitive layer into the sensitive layer. The planar substrate can be formed for example by a ceramic plate. A plurality of devices according to the invention may be produced in use on a common plate or in a wafer or disc assembly, and after the end of the manufacturing process, the devices are singulated by crushing the plate or wafer or disc. Alternatively, the devices can also be produced on already isolated substrates. The sensitive layer can be applied directly to the substrate or with the interposition of an insulation layer or an insulation layer system, for example having at least one SiO 2 layer.

In einer Ausführungsart ist die mindestens eine Krafteinleitungsfläche durch eine zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement angeordnete und vorzugsweise strukturierte Schicht definiert. Die Strukturierung der die Krafteinleitungsfläche definierenden Schicht kann bereits beim Aufbringen der Schicht erfolgen, beispielsweise durch strukturiertes Aufbringen dieser Schicht mit einem Verfahren der Dickschichttechnik. Alternative hierzu kann die die Krafteinleitungsfläche definierende Schicht zunächst ganzflächig aufgetragen werden und anschließend beispielsweise mit fotolithografischen Verfahren der Dünnschichttechnik oder der Halbleitertechnologie strukturiert werden, wodurch sich eine hohe Präzision und Maßhaltigkeit ergibt. Die Schicht, durch welche die Krafteinleitungsfläche definiert ist, kann auch einer mechanisch festen und unlösbaren, jedenfalls zerstörungsfrei nicht-lösbaren Verbindung des Krafteinleitungselements mit der sensitiven Schicht dienen.In one embodiment, the at least one force introduction surface is defined by a layer which is arranged between the sensitive layer and the force introduction element and is preferably structured. The structuring of the layer defining the force introduction surface can already take place during the application of the layer, for example by structured application of this layer with a method of the thick-film technique. Alternatively, the layer defining the force introduction surface can first be applied over the whole area and then patterned, for example, using photolithographic methods of thin-film technology or semiconductor technology, resulting in high precision and dimensional accuracy. The layer, by which the force introduction surface is defined, can also serve a mechanically fixed and insoluble, in any case non-destructive non-detachable connection of the force introduction element with the sensitive layer.

In einer Ausführungsart leitet das Krafteinleitungselement die Kraft an drei voneinander beabstandeten Positionen in die sensitive Schicht ein. Durch eine solche Dreibein- oder Tripod-Anordnung ist eine mechanische Überbestimmung der Kraftübertragung von dem Krafteinleitungselement in die sensitive Schicht verhindert. Über jede der drei voneinander beabstandeten Positionen kann derselbe Betrag der Kraft in die sensitive Schicht eingeleitet werden.In one embodiment, the force introduction element introduces the force into the sensitive layer at three spaced-apart positions. Such a tripod or tripod arrangement prevents mechanical overdetermination of the transmission of force from the force introduction element into the sensitive layer. About each of the three spaced positions, the same Amount of force to be introduced into the sensitive layer.

In einer Ausführungsart ist an den drei Positionen zwischen dem Substrat und dem Krafteinleitungselement jeweils ein von der sensitiven Schicht gebildetes Messelement angeordnet. Diese Messelemente können elektrisch geeignet verschaltet sein, vorzugsweise bereits auf dem Substrat, um einen hohen Signalpegel zu erzielen. Beispielsweise können mehrere Messelemente in Form einer Halbbrücke oder in Form einer Vollbrücke verschaltet sein. Im Falle einer Vollbrücke können mindestens zwei der drei Elemente in unterschiedlichen Pfaden der Messbrücke verschaltet sein. Die drei Elemente sind mit weiteren, vorzugsweise ebenfalls von der sensitiven Schicht gebildeten, aber nicht mit Kraft beaufschlagten Elementen zu der Vollbrücke verschaltet.In one embodiment, a measuring element formed by the sensitive layer is arranged in each case at the three positions between the substrate and the force introduction element. These measuring elements can be connected electrically suitably, preferably already on the substrate, in order to achieve a high signal level. For example, several measuring elements can be connected in the form of a half bridge or in the form of a full bridge. In the case of a full bridge, at least two of the three elements can be interconnected in different paths of the measuring bridge. The three elements are interconnected with further, preferably also formed by the sensitive layer, but not acted upon by force elements to the full bridge.

In einer Ausführungsart ist das Krafteinleitungselement durch eine Fügetechnik mittelbar oder unmittelbar mechanisch fest und unlösbar, jedenfalls zerstörungsfrei nicht-lösbar, mit der sensitiven Schicht verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Lotschicht oder eine Klebeschicht erfolgen. Im Falle einer Lotschicht kann vorzugsweise eine Metallisierung zwischen der sensitiven Schicht und der Lotschicht angeordnet sein. Außerdem kann eine Isolationsschicht oder ein Isolationsschichtensystem zwischen der sensitiven Schicht und der Metallisierung angeordnet sein.In one embodiment, the force introduction element by a joining technique is directly or indirectly mechanically fixed and insoluble, non-destructively non-destructive, connected to the sensitive layer. The connection can be made for example by a solder layer or an adhesive layer. In the case of a solder layer, a metallization may preferably be arranged between the sensitive layer and the solder layer. In addition, an insulating layer or an insulation layer system may be arranged between the sensitive layer and the metallization.

In einer Ausführungsart ist zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement mindestens eine Isolationsschicht angeordnet, insbesondere in dem Fall, dass das Krafteinleitungselement selbst oder Teile hiervon elektrisch leitfähig sind, oder dass eine Verbindung zwischen dem Krafteinleitungselement und der sensitiven Schicht elektrisch leitfähig ist.In one embodiment, at least one insulating layer is arranged between the sensitive layer and the force introduction element, in particular in the case that the force introduction element itself or parts thereof are electrically conductive, or that a connection between the force introduction element and the sensitive layer is electrically conductive.

In einer Ausführungsart ist zwischen der sensitiven Schicht und dem Krafteinleitungselement eine Metallschicht und/oder eine Lot- oder Klebeschicht angeordnet. Die Metallschicht und/oder die Lot- oder Klebeschicht ist vorzugsweise strukturiert und weiterhin vorzugsweise nur im Bereich der sensitiven Schicht oder im Bereich der aus der sensitiven Schicht gebildeten Messelemente vorgesehen. Die Ausdehnung der Metallschicht und/oder der Lot- oder Klebeschicht kann die Krafteinleitungsfläche definieren.In one embodiment, a metal layer and / or a solder or adhesive layer is arranged between the sensitive layer and the force introduction element. The metal layer and / or the solder or adhesive layer is preferably structured and furthermore preferably provided only in the region of the sensitive layer or in the region of the measuring elements formed from the sensitive layer. The expansion of the metal layer and / or the solder or adhesive layer may define the force introduction surface.

In einer Ausführungsart ist die sensitive Schicht eine piezoresistive Schicht, die eine in die sensitive Schicht eingeleitete Kraft in eine Änderung des elektrischen Widerstandes wandelt. Als piezoresistive Schichten könne beispielsweise Schichten aus einer geeigneten Kupfer-Mangan-(Nickel-)Legierung, Polysilicium-Schichten, DLC(Diamond Like Carbon)-Schichten, Metall-dotierte Kohlenstoffschichten oder auch Nano-Ni@C-Schichten, wie sie beispielsweise aus der WO 2009/129930 bekannt sind, eingesetzt werden. Mit der letztgenannten Schicht sind Empfindlichkeiten von mehr als 1 × 10–4/bar, entsprechend 1 × 10–9/Pa, erreichbar.In one embodiment, the sensitive layer is a piezoresistive layer that converts a force introduced into the sensitive layer into a change in electrical resistance. As piezoresistive layers, for example, layers of a suitable copper-manganese (nickel) alloy, polysilicon layers, DLC (Diamond Like Carbon) layers, metal-doped carbon layers or nano-Ni @ C layers, such as of the WO 2009/129930 are known to be used. With the latter layer, sensitivities of more than 1 × 10 -4 / bar, corresponding to 1 × 10 -9 / Pa, can be achieved.

In einer Ausführungsart ist das Substrat biegesteif. Dadurch übt das Substrat als Reaktio auf die über das Krafteinleitungselement in die sensitive Schicht eingeleitete und damit auch auf das Substrat wirkende Kraft eine Gegenkraft auf die sensitive Schicht aus, vorzugsweise von einer Seite der sensitiven Schicht, die dem Krafteinleitungselement gegenüberliegt. Insbesondere weist die Vorrichtung keinen Verformungskörper wie beispielsweise eine biegsame Membran auf, sondern die Kraft wirkt von beiden oder gegebenenfalls auch von mehr als zwei Seiten oder von allen Seiten auf die sensitive Schicht ein.In one embodiment, the substrate is rigid. As a result, the substrate exerts a counterforce on the sensitive layer as a reaction to the force introduced via the force introduction element into the sensitive layer and thus also acting on the substrate, preferably from one side of the sensitive layer which is opposite to the force introduction element. In particular, the device has no deformation body such as a flexible membrane, but the force acts on the sensitive layer of both or possibly also of more than two sides or from all sides.

In einer Ausführungsart sind aus der sensitiven Schicht mindestens zwei oder sogar mindestens vier Elemente gebildet, insbesondere mindestens zwei oder mindestens vier piezoresistive Widerstände, die vorzugsweise bereits auf dem Substrat zu einer Messbrücke verschaltet sind, insbesondere zu einer Halbbrücke oder einer Vollbrücke. In einer Ausführungsart wären bereits zwei aus der sensitiven Schicht gebildete Messelemente ausreichend, bei Anwendung der Dreibein- oder Tripod-Ankopplung des Krafteinleitungselements an die Messelemente drei solche Messelemente, die aus der sensitiven Schicht gebildet sind; die weiteren Elemente der Messbrücke müssen nicht unbedingt aus dem Werkstoff der sensitiven Schicht gebildet sein. Wenn auch die nicht mit der Kraft beaufschlagten Elemente des Messbrücke aus der sensitiven Schicht hergestellt sind, wird ein geringes Offset-Signal und/oder ein geringer Temperaturkoeffizient des Offset-Signals erreicht. Vorzugsweise sind die Messelemente und/oder die weiteren Elemente der Messbrücke mäanderförmig durch eine entsprechende fotolithografische Strukturierung der ursprünglich ganzflächig aufgebrachten sensitiven Schicht hergestellt.In one embodiment, at least two or even at least four elements are formed from the sensitive layer, in particular at least two or at least four piezoresistive resistors, which are preferably already connected to a measuring bridge on the substrate, in particular to a half bridge or a full bridge. In one embodiment, two measuring elements formed from the sensitive layer would already be sufficient, when using the tripod or tripod coupling of the force introduction element to the measuring elements three such measuring elements, which are formed from the sensitive layer; the other elements of the measuring bridge need not necessarily be formed from the material of the sensitive layer. If the elements of the measuring bridge which are not subjected to the force are also produced from the sensitive layer, a low offset signal and / or a low temperature coefficient of the offset signal is achieved. Preferably, the measuring elements and / or the further elements of the measuring bridge are meander-shaped produced by a corresponding photolithographic structuring of the originally applied over the entire surface sensitive layer.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the subclaims and the following description in which several embodiments are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung, 1 shows a section through a device according to the invention in a schematic representation,

2 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, 2 shows a section through a further embodiment of the invention,

3 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout einer Messbrücke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und 3 shows a plan view of a layout of a measuring bridge of a device according to the invention, and

4 zeigt das Layout mit den Krafteinleitungsflächen. 4 shows the layout with the force introduction surfaces.

Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in schematischer Darstellung. Die Darstellung ist betreffend die Schichtdicken nicht maßstabsgetreu. Die Vorrichtung 1 zum Wandeln einer Kraft 22 in ein elektrisches Signal ist im Ausführungsbeispiel ein piezoresistiver Kraftsensor, mit einem flächigen Substrat 10 und einer darauf aufgebrachten und strukturierten sensitiven Schicht 12, die im Ausführungsbeispiel durch eine DLC(Diamond Like Carbon)-Schicht oder eine Nano-Ni@C-Schicht gebildet ist. Die sensitive Schicht 12 kann unmittelbar auf das Substrat 10 aufgebracht sein, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung (Sputtern), oder unter Zwischenlage einer Isolationsschicht oder eines Isolationsschichtensystems, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht. Die sensitive Schicht 12 wandelt die über das Krafteinleitungselement 20 eingeleitete Kraft 22 in ein elektrisches Signal, insbesondere in eine Änderung des elektrischen Widerstandes der sensitiven Schicht 12 bzw. in eine Änderung des elektrischen Widerstandes von aus der sensitiven Schicht 12 hergestellten Messwiderständen 32, 34 (3).The 1 shows a section through a device according to the invention 1 in a schematic representation. The representation is not true to scale with respect to the layer thicknesses. The device 1 to transform a force 22 in an electrical signal in the exemplary embodiment is a piezoresistive force sensor, with a flat substrate 10 and a sensitive layer applied and patterned thereon 12 , which is formed in the embodiment by a DLC (Diamond Like Carbon) layer or a nano-Ni @ C layer. The sensitive layer 12 can be directly on the substrate 10 be applied, for example by sputtering (sputtering), or with the interposition of an insulating layer or an insulation layer system, for example comprising at least one SiO 2 layer. The sensitive layer 12 converts the over the force introduction element 20 initiated force 22 in an electrical signal, in particular in a change in the electrical resistance of the sensitive layer 12 or in a change in the electrical resistance of the sensitive layer 12 manufactured measuring resistors 32 . 34 ( 3 ).

Die Kraft 22 ist rechtwinklig zu der die sensitive Schicht 12 tragenden Oberfläche des Substrats 10 gerichtet. Oberhalb der sensitiven Schicht 12 ist eine Isolationsschicht 14 oder ein Isolationsschichtensystem angeordnet, beispielsweise aufweisend mindestens eine SiO2-Schicht. Die sensitive Schicht 12 und die Isolationsschicht 14 sind so hergestellt, beispielsweise in derselben Vakuumkammer atmosphärenfrei aufgebracht, dass die sensitive Schicht 12 von der Isolationsschicht 14 abgedeckt ist, und daher die Oberfläche der sensitiven Schicht 12 nicht mit Sauerstoff in Kontakt kommt.The power 22 is perpendicular to the sensitive layer 12 carrying surface of the substrate 10 directed. Above the sensitive layer 12 is an insulation layer 14 or an insulation layer system arranged, for example comprising at least one SiO 2 layer. The sensitive layer 12 and the insulation layer 14 are manufactured, for example, applied atmospherically in the same vacuum chamber that the sensitive layer 12 from the insulation layer 14 is covered, and therefore the surface of the sensitive layer 12 does not come into contact with oxygen.

In der Darstellung der 1 erstreckt sich die Isolationsschicht 14 nur über den Bereich der sensitiven Schicht 12. Abweichend hiervon kann die Isolationsschicht 14 aber auch im Wesentlichen ganzflächig aufgebracht sein und beispielsweise nur an den Stellen, an denen die sensitive Schicht 12 elektrisch kontaktiert werden muss, kann die Isolationsschicht 14 eine hierfür vorgesehene Öffnung aufweisen. Abhängig von den eingesetzten Werkstoffen kann die Isolationsschicht 14 auch aus einem Schichtensystem bestehen, beispielsweise umfassend eine Schicht SiO2 und/oder eine Schicht Si3N4.In the presentation of the 1 the insulation layer extends 14 only over the area of the sensitive layer 12 , Deviating from this, the insulation layer 14 but also applied substantially over the entire surface and, for example, only in those places where the sensitive layer 12 must be electrically contacted, the insulation layer 14 have a designated opening. Depending on the materials used, the insulation layer 14 also consist of a layer system, for example comprising a layer SiO2 and / or a layer Si3N4.

Auf der Isolationsschicht 14 ist eine erste Metallschicht 16 aufgebracht, die im Ausführungsbeispiel dazu dient, die sensitive Schicht 12 kraftwirksam mit einer Fügeschicht 18, beispielsweise einer Lot- oder Klebeschicht, zu verbinden. Die Fügeschicht 18 ist wiederum fest mit dem Krafteinleitungselement 20 verbunden. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, dass die Kraft 22 über eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche 40, 42, 44 (4), die im Ausführungsbeispiel durch die erste Metallschicht 16 bestimmt ist, flächig in die sensitive Schicht 12 eingeleitet wird. Die Krafteinleitung erfolgt im Ausführungsbeispiel ganzflächig oder jedenfalls über mehr als 85%, insbesondere mehr als 95% der Fläche der sensitiven Schicht 12. Durch die fotolithografische Strukturierung der ersten Metallschicht 16 ist die Krafteinleitungsfläche 40, 42, 44 mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit herstellbar. Die Krafteinleitungsfläche 40, 42, 44 weist keinen Kraftschluss zum Substrat 10 auf, auch nicht bei hohen Beträgen der Kraft 22. Vielmehr wird die gesamte Kraft über den Schichtverbund flächig und vorzugsweise auch homogen auf die sensitive Schicht 12 eingeleitet.On the insulation layer 14 is a first metal layer 16 applied, which serves in the embodiment, the sensitive layer 12 Effective with a marriage story 18 , For example, a solder or adhesive layer to connect. The marriage story 18 is in turn fixed to the force application element 20 connected. This arrangement ensures that the force 22 over a given and delimited force introduction surface 40 . 42 . 44 ( 4 ), which in the embodiment by the first metal layer 16 is determined, flat in the sensitive layer 12 is initiated. The force is applied in the embodiment over the entire surface or at least over more than 85%, in particular more than 95% of the surface of the sensitive layer 12 , By the photolithographic structuring of the first metal layer 16 is the force introduction surface 40 . 42 . 44 can be produced with high precision and reproducibility. The force introduction surface 40 . 42 . 44 has no adhesion to the substrate 10 even on high amounts of power 22 , Rather, the entire force on the layer composite surface and preferably also homogeneous to the sensitive layer 12 initiated.

Die 2 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 sowohl das Substrat 10 als auch das Krafteinleitungselement 20 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist und die Kraft 22 an zwei unterschiedlichen Positionen auf jeweils eine sensitive Schicht 12 einleitbar ist. Jede der beiden sensitiven Schichten 12 repräsentiert ein Messelement der Vorrichtung 101. Beispielsweise kann jede der beiden sensitiven Schichten 12 eine piezoresistiven Widerstand repräsentieren, der vorzugsweise noch auf dem Substrat 10 zu einer Messbrücke verdrahtet ist.The 2 shows a section through a further embodiment of the invention, wherein in contrast to the embodiment of 1 both the substrate 10 as well as the force introduction element 20 is essentially plate-shaped and the force 22 at two different positions on each one sensitive layer 12 can be introduced. Each of the two sensitive layers 12 represents a measuring element of the device 101 , For example, each of the two sensitive layers 12 represent a piezoresistive resistance, preferably still on the substrate 10 wired to a measuring bridge.

Die Isolationsschicht 14 ist unstrukturiert und weist lediglich im Bereich der nicht dargestellten Kontaktflächen für die sensitiven Schichten 12 eine Öffnung auf. Die Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44 sind durch die Position der ersten Metallschicht 16 definiert, die mit fotolithografischen Verfahren einfach und präzise aufgebracht bzw. strukturiert werden können. Beispielsweise können die Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44 im Wesentlichen deckungsgleich zu den jeweils zugeordneten sensitiven Schichten 12 sein. Außerdem weist das weitere Ausführungsbeispiel an dem Krafteinleitungselement 20, das ebenso wie das Substrat 10 beispielsweise aus einer Keramikplatte gebildet sein kann, eine zweite Metallschicht 24 auf, durch die eine mechanisch feste Verbindung mit der Fügeschicht 18, insbesondere im Falle einer Lotschicht, hergestellt werden kann.The insulation layer 14 is unstructured and has only in the region of the contact surfaces, not shown, for the sensitive layers 12 an opening on. The force introduction surfaces 40 . 42 . 44 are due to the position of the first metal layer 16 defined, which can be easily and precisely applied or structured with photolithographic processes. For example, the force introduction surfaces 40 . 42 . 44 essentially congruent with the respective associated sensitive layers 12 be. In addition, the further embodiment of the force introduction element 20 that as well as the substrate 10 For example, may be formed from a ceramic plate, a second metal layer 24 through, by a mechanically strong connection with the bonding layer 18 , in particular in the case of a solder layer, can be produced.

Die 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Layout 30 einer Messbrücke einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Messbrücke besteht aus insgesamt vier Widerständen, die vorzugsweise alle durch Strukturierung der ursprünglich ganzflächig aufgebrachten sensitiven Schicht 12 hergestellt sind. Über die ersten Kontaktflächen 26 wird an die Messbrücke eine elektrische Spannung angelegt und über die zweiten Kontaktflächen 28 kann ein Spannungssignal proportional zu der eingeleiteten Kraft 22 abgenommen werden.The 3 shows a plan view of a layout 30 a measuring bridge of a device according to the invention 1 , The measuring bridge consists of a total of four resistors, preferably all through Structuring of the originally applied over the entire surface sensitive layer 12 are made. About the first contact surfaces 26 An electrical voltage is applied to the measuring bridge and across the second contact surfaces 28 can be a voltage signal proportional to the force introduced 22 be removed.

Die Messbrücke besteht aus insgesamt vier Widerständen 32, 34, 36, 38, wobei die Messwiderstände 32, 34 im Layout 30 jeweils zweiteilig 32.1, 32.2 bzw. 34.1, 34.2 ausgebildet sind. Nur die Widerstände 32, 34 werden mit der Kraft 22 beaufschlagt, wohingegen die Widerstände 36, 38 als Referenzwiderstände in der Messbrücke verschaltet sind. Im nicht mit der Kraft 22 beaufschlagten Zustand sind die Widerstandswerte der Widerstände 32, 34, 36, 38 gleich groß, so dass sich im Idealfall ein Ausgangswert von 0 V ergibt, unabhängig von der Höhe der an den ersten Kontaktflächen 26 anliegenden Betriebsspannung.The measuring bridge consists of a total of four resistors 32 . 34 . 36 . 38 , where the measuring resistors 32 . 34 in the layout 30 each in two parts 32.1 . 32.2 respectively. 34.1 . 34.2 are formed. Only the resistances 32 . 34 be with the power 22 whereas the resistors 36 . 38 are connected as reference resistors in the measuring bridge. Im not with the force 22 Applied state are the resistance values of the resistors 32 . 34 . 36 . 38 the same size, so that in the ideal case, an initial value of 0 V results, regardless of the height of the first contact surfaces 26 applied operating voltage.

Die 4 zeigt das Layout mit den jeweils durch die erste Metallschicht 16 definierten Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44. Diese decken die Messwiderstände 32.1, 32.2, 34.1, 34.2 im Wesentlichen vollständig ab, insbesondere zu mehr als 85% und insbesondere zu mehr als 95% der Fläche der zugehörigen sensitiven Schichten 12. Durch die Zweiteilung der Messwiderstände 32, 34 ergeben sich insgesamt drei Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44, die voneinander beabstandet sind. Dadurch kann die Kraft 22 an drei voneinander beabstandeten Positionen mechanisch eindeutig bestimmt in die jeweilige sensitive Schicht 22 eingeleitet werden.The 4 shows the layout with each through the first metal layer 16 defined force introduction surfaces 40 . 42 . 44 , These cover the measuring resistors 32.1 . 32.2 . 34.1 . 34.2 essentially completely, in particular more than 85% and in particular more than 95% of the area of the associated sensitive layers 12 , By the division of the measuring resistors 32 . 34 This results in a total of three force introduction surfaces 40 . 42 . 44 which are spaced apart from each other. This can force 22 at three spaced positions mechanically uniquely determined in the respective sensitive layer 22 be initiated.

An jeder der drei Krafteinleitungsflächen 40, 42, 44 wird im Wesentlichen jeweils ein Drittel des Betrages der Kraft 22 in die sensitiven Schichten 12 der Messwiderstände 32.1 einerseits und 34.1 andererseits eingeleitet, und das letzte Drittel der Kraft 22 auf die benachbart angeordneten zweiten Teile 32.2 und 34.2 eingeleitet. Über den Referenzwiderständen 36, 38 wird dagegen keine erste Metallschicht 16 angeordnet, so dass in diesem Bereich keine Krafteinleitung stattfindet.At each of the three force introduction surfaces 40 . 42 . 44 is essentially one third of the amount of the force 22 into the sensitive layers 12 the measuring resistors 32.1 on the one hand and 34.1 on the other hand, and the last third of the force 22 on the adjacently arranged second parts 32.2 and 34.2 initiated. About the reference resistors 36 . 38 on the other hand, no first metal layer is formed 16 arranged so that there is no force application in this area.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2009/129930 [0015] WO 2009/129930 [0015]

Claims (10)

Vorrichtung (1) zum Wandeln einer Kraft (22) in ein elektrisches Signal, insbesondere piezoresistiver Kraftsensor, mit einem flächigen Substrat (10) und einer darauf aufgebrachten und vorzugsweise strukturierten sensitiven Schicht (12), die eine in die sensitive Schicht (12) eingeleitete Kraft (22) in ein elektrisches Signal wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Krafteinleitungselement (20) aufweist, das über mindestens eine vorgegebene und abgegrenzte Krafteinleitungsfläche (40, 42, 44) die gesamte Kraft (22) des Krafteinleitungselements (20) flächig in die sensitive Schicht (12) einleitet.Contraption ( 1 ) for converting a force ( 22 ) in an electrical signal, in particular piezoresistive force sensor, with a flat substrate ( 10 ) and a preferably structured sensitive layer ( 12 ), one in the sensitive layer ( 12 ) initiated force ( 22 ) converts into an electrical signal, characterized in that the device ( 1 ) a force introduction element ( 20 ), which has at least one predetermined and delimited force introduction surface ( 40 . 42 . 44 ) the entire force ( 22 ) of the force introduction element ( 20 ) flat in the sensitive layer ( 12 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Krafteinleitungsfläche (40, 42, 44) durch eine zwischen der sensitiven Schicht (12) und dem Krafteinleitungselement (20) angeordnete und vorzugsweise strukturierte Schicht definiert ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one force introduction surface ( 40 . 42 . 44 ) by a between the sensitive layer ( 12 ) and the force introduction element ( 20 ) and preferably structured layer is defined. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (20) an drei voneinander beabstandeten Positionen die Kraft (22) in die sensitive Schicht (12) einleitet.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the force introduction element ( 20 ) at three spaced positions the force ( 22 ) into the sensitive layer ( 12 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den drei Positionen zwischen dem Substrat (10) und dem Krafteinleitungselement (20) jeweils ein von der sensitiven Schicht (12) gebildetes Messelement angeordnet ist.Contraption ( 1 ) according to claim 3, characterized in that at the three positions between the substrate ( 10 ) and the force introduction element ( 20 ) one each of the sensitive layer ( 12 ) formed measuring element is arranged. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (20) durch eine Fügetechnik mittelbar oder unmittelbar mechanisch fest und unlösbar mit der sensitiven Schicht (12) verbunden ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the force introduction element ( 20 ) by a joining technique directly or indirectly mechanically fixed and insoluble with the sensitive layer ( 12 ) connected is. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der sensitiven Schicht (12) und dem Krafteinleitungselement (20) eine Isolationsschicht (14) angeordnet ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that between the sensitive layer ( 12 ) and the force introduction element ( 20 ) an insulation layer ( 14 ) is arranged. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der sensitiven Schicht (12) und dem Krafteinleitungselement (20) eine Metallschicht (16, 24) und/oder eine Lot- oder Klebeschicht (18) angeordnet ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that between the sensitive layer ( 12 ) and the force introduction element ( 20 ) a metal layer ( 16 . 24 ) and / or a solder or adhesive layer ( 18 ) is arranged. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (12) eine piezoresistive Schicht ist, die eine in die sensitive Schicht (12) eingeleitete Kraft (22) in eine Änderung des elektrischen Widerstandes wandelt.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the sensitive layer ( 12 ) is a piezoresistive layer, one in the sensitive layer ( 12 ) initiated force ( 22 ) converts into a change in electrical resistance. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) biegesteif ist, und daher als Reaktio auf die über das Krafteinleitungselement (20) in die sensitive Schicht (12) eingeleitete Kraft auch eine Gegenkraft auf die sensitive Schicht (12) ausübt.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10 ) is rigid, and therefore as a reaction to the force introduction element ( 20 ) into the sensitive layer ( 12 ) force also a counterforce on the sensitive layer ( 12 ) exercises. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der sensitiven Schicht (12) mindestens zwei Messelemente gebildet sind, insbesondere vier piezoresistive Widerstände, die vorzugsweise bereits auf dem Substrat (10) zu einer Messbrücke verschaltet sind.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or one of the preceding claims, characterized in that from the sensitive layer ( 12 ) at least two measuring elements are formed, in particular four piezoresistive resistors, which are preferably already mounted on the substrate ( 10 ) are connected to a measuring bridge.
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