Im Stand der Technik sind verschiedene kapazitive Drehmoment- und Kraftsensoren bekannt. Drehmomente werden heute im indus- triellen Bereich im Allgemeinen mit Messzellen gemessen, die mit Dehnungs-Messstreifen bestückt sind. Dehnungs- Messstreifen werden direkt auf die Messstelle an einem Bau- element angebracht. Das Aufkleben und Kontaktieren von Deh- nungs-Messstreifen gestaltet sich jedoch technologisch auf- wendig. Dies ist insbesondere bei der Serienfertigung sowie bei Anwendungen im Feld von Nachteil. Ferner ist die Lang- zeitstabilität und Überlastsicherheit von Dehnung- Messstreifen nicht zufriedenstellend.

Andere bekannte kapazitive Drehmoment-und Kraftsensoren wei- sen beispielsweise kammförmig ineinander greifenden Elektro- denstrukturen auf. Die hierbei auftretenden Verschiebungen betragen nur wenige Mikrometer. Dabei wird der Elektrodenab- stand entsprechend einer Verschiebung am Messort geändert.

Diese Art von Sensoren ist zwar problemloser an zu vermessen- de Bauteile anzubringen, jedoch wird bei der Herstellung von Kammstrukturen eine sehr hohe Genauigkeit in der Teilung und Justierung gefordert. Dies begrenzt die Möglichkeit in der Kostenreduzierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein integriertes kapazitives Mikrosystem zu schaffen, das bisherige Sensoren ersetzen kann, wesentlich einfacher anzubringen ist und eine höhere Lastwechselzahl und verbesserte Überlastsicherheit

aufweist. Weiterhin ist eine Modifikation für den Einsatz an Fahrzeugsätzen anzugeben sowie ein Betriebsverfahren.

Die Lösung dieser der Erfindung zugrunde liegenden Ziele er- geben sich jeweils durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 7 oder 11.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz eines integrierten kapazitives Mikrosystems, bei dem sowohl die Messelektrode als auch ein Referenzkondensator in Planartechnik sowie ein elektronisches Bauelement auf einem Glassubstrat aufgebracht sind, ein Messelement mit höherer Lastwechselzahl, sowie mit einer verbesserten Überlastsiche- rung darstellbar ist. Der Sensor ist mit bekannten und be- währten Fertigungstechnologien und Einrichtungen herstellbar.

Der Sensor kann insbesondere zur Messung einer Kraft verwen- det werden, wenn er auf einem Verformungselement aufgebracht ist, dessen mechanische Eigenschaften bekannt sind. Für die Messung einer Kraft, insbesondere einer Gewichtskraft an ei- nem Fahrzeugsitz, werden Sitzbefestigungen als Verformungs- elemente ausgebildet, an denen jeweils mindestens ein kapazi- tives Mikrosystem zur Erfassung von mechanischen Verformungen angebracht ist.

Es ist besonders vorteilhaft, die Daten und/oder Energieüber- tragung berührungslos auszulegen. Hierfür wird ein kapaziti- ves Mikrosystem jeweils mit einer Induktionsspule ausgestat- tet, so dass Daten nach außen hin übertragbar sind. Gleich- zeitig lässt sich das kapazitive Mikrosystem über die Induk- tionsspule von außen mit Energie versorgen.

Zur Interaktion mehrerer kapazitiver Mikrosysteme an mehreren Befestigungspunkten eines Fahrzeugsitzes wird in vorteilhaf- ter Weise eine über jedes kapazitive Mikrosystem geführte In- duktionsschleife eingesetzt.

Die Betriebsweise eines kapazitiven Mikrosystems ist in vor- teilhafter Weise derart gestaltet, dass zwischen einer Ener- gieübertragung für das System und einer Datenübertragung nach außen hin abgewechselt wird.

Im Folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh- rungsbeispiele beschrieben.

Figur 1 zeigt ein kapazitives Mikrosystem zur Erfassung der Gewichtskraft in Verbindung mit einem Verformungsele- ment, Figur 2 zeigt theoretische Grundlagen für ein kapazitives Mikrosystem zur Verformungserfassung und Gewichts- kraftberechnung, Figur 3 zeigt ein kapazitives Mikrosystem zur Erfassung der Verformung mit kontaktloser induktiver Leistungs-und Signalübertragung, Figur 4 zeigt ein kapazitives Mikrosystem entsprechend Figur 3 mit elektrischer Kontaktierung nach außen, Figur 5 zeigt ein Glassubstrat 10 mit darauf in Planartechnik aufgebrachter Messelektrode, Referenzkondensator und Induktionsspule sowie einem elektronischen Bauele- ment, Figur 6 zeigt schematisch die Draufsicht auf einen Fahrzeug- sitz, der auf Trägern mit Befestigungselementen auf- gebaut ist, die als Verformungselemente mit kapaziti- ven Mikrosystemen dargestellt ist.

Figur 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines kapaziti- ven Mikrosystems 17, das auf einem Verformungselement 6 auf- gebracht ist. Das Verformungselement 6 ist wiederum an einem Träger 7 befestigt und wird an der gegenüber liegenden Seite

von einer Gewichtskraft 1 belastet. An den Befestigungspunk- ten 3 ist das kapazitive Mikro-oder Mess-System 17 starr mit dem Verformungselement 6 verbunden. Das Biegeelement 20 des kapazitiven Mikrosystems 17 wird dadurch Bewegungen, insbe- sondere Biegungen des Verformungselementes 6 bei Belastung in definierter Weise mit ausführen. Dadurch ist ein fester Bezug zwischen kapazitivem Mikrosystem 17 und Verformungselement 6 gegeben. Im kapazitiven Mikrosystem 17 bleibt der in Figur 1 rechts liegende Endbereich 22 des Trägers 21 statisch, da er an dem Befestigungspunkt 3 starr mit dem Verformungselement 6 verbunden ist. Der Träger 21 wird, in seinem zentralen Be- reich zwischen den Biegebereichen 5, eine Auslenkung erfah- ren, die mit der Verformung des Verformungselementes 6 korre- liert. Die auf dem Träger 21 positionierte Messelektrode 2 wird somit relativ zu der statischen Gegenelektrode 8 bewegt, wobei sich eine Winkeländerung zwischen den spitzwinkelig ge- geneinander angestellten Elektroden ergibt.

In Figur 2 ist ein Höhe h/Weg x-Diagramm dargestellt, in welchem die Auslenkung zwischen den Elektroden relativ zur Elektrodenlänge betrachtet wird. Daraus wird die Übertra- gungsfunktion des kapazitiven Mikrosystems abgeleitet. Die Längserstreckung der Messelektrode liegt in x-Richtung, wobei die Endpunkte 11 und 12 der Elektrode deren wirksame Länge angeben. Die Höhe h (x) lässt sich darstellen durch das Pro- dukt aus Elastizitätskonstante k und Gewichtskraft W unter Berücksichtigung einer Ausgangsöffnung ho. Durch Auflösung nach der Gewichtskraft W lässt sich die für das kapazitiv Mikrosystem gültige Übertragungsfunktion bei der Gewichts- kraftmessung ableiten. Die Bezeichnungen bedeuten im Einzel- nen : k Elektrizitätskonstante, so = Dielektrizitätskonstan- te, b = Breite der Elektrode, W = Gewichtskraft, C = Kapazi- tät, 12-11 = Länge der Elektrode, wobei die Indizierung bei Kapazität und Öffnungshöhe für den Ruhezustand mit 0 und für den Betriebszustand mit W gilt.

Die Figuren 3 und 4 zeigen Ausgestaltungen der Erfindung, wo- bei die Gegenelektrode 8 jeweils im linken Endbereich 22 der geschnittenen Seitenansicht des kapazitiven Mikrosystem 17 positioniert ist. In beiden Figuren ist jeweils ein Biegeele- ment 20 dargestellt, das aus einem zentralen Träger 21 be- steht mit beiderseitigen Endbereichen 22, die über Biegebe- reiche 5 mit dem zentralen Träger 21 verbunden sind. Der End- bereich 22 mit dem die Gegenelektrode 8 starr verbunden ist, wird über den Befestigungspunkt 3 starr mit einem in den Fi- guren 3 und 4 nicht dargestellten Verformungselement 6 ver- bunden. Eine in Kraftrichtung 11 wirkende Kraft ist verant- wortlich für eine Biegung zwischen dem linken und dem rechten Endbereich 22 des Biegeelementes 20. In den Figuren 3 und 4 ist der in der Figur rechts dargestellte Endbereich 22 eben- falls über den Befestigungspunkt 3 mit einem Verformungsele- ment 6 fest verbunden. Diese Verbindung kann mehr Freiheits- grade aufweisen als die Verbindung des Endbereiches 22 auf der linken Seite des Biegeelementes 20. Wichtig ist, dass der rechte Endbereich 22 des Biegeelementes 20 Bewegungen eines Verformungselementes 6 gleichförmig mit ausführt. Hierzu ist es notwendig, am Befestigungspunkt 3 eine Verbindung zwischen Biegeelement 20 und Verformungselement 6 herzustellen, die beide Elemente gegeneinander derart fixiert, dass sie sich bei einer Biegung des Verformungselementes im Wesentlichen parallel zueinander bewegen.

Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, in der auf einem Glassubstrat 10, das auf dem Träger 21 mittels einer Klebeschicht 9 befestigt ist, sowohl die Messelektrode 2 als auch ein elektronisches Bauelement 14 als auch ein Referenz- kondensator 15 und eine Spule 16, aufgebracht sind. Mess- elektrode 2, Referenzkondensator 15 und Spule 16 sind in Pla- nartechnologie, insbesondere in Dünnfilmtechnik ausgebildet.

Das elektronische Bauelement 14 ist vorzugsweise in Flip- Chip-Technologie, d. h. in Direktmontage, auf der entspre- chend vorbereiteten Oberfläche des Glassubstrates 10 aufge- bracht. Die Positionierung des Glassubstrates 10 mit den ent-

sprechenden Aufbauten geschieht derart, dass die Messelektro- de 2 mit der Gegenelektrode 8 zusammenwirkt. Da somit für den Referenzkondensator im Wesentlichen die gleiche Herstellungs- technologie angewandt wird wie für den Messkondensator, ver- halten sich beide Elemente bei Temperaturschwankungen ähn- lich.

In Figur 4 ist ein digitaler Ausgang 12 neben einem Anschluss zur Energieversorgung 13 dargestellt. Diese Ausgestaltung be- inhalte somit Kontakte, die über Leitungen versorgt oder ab- gegriffen werden müssen. Die Energieversorgung 13 versorgt die unter dem Gehäuse 4 angesiedelten elektrischen oder e- lektronischen Bauteile. Mittels des digitalen Ausganges 12 ist eine Datenübertragung nach außen erzielbar. Je nach Aus- gestaltung des elektronischen Bauelements 14 können somit Mess-Signale für die Kapazität oder für bereits berechnete weitere Größen wie Kraft, Drehmoment oder ähnliches nach au- ßen übertragen werden.

In Figur 3 sind sowohl der digitale Ausgang 12 als auch die Energieversorgung 13 ersetzt durch die Spule 16. Diese eben- falls in Planartechnik ausgeführte Spule dient zur Übertra- gung und zum Empfang von elektromagnetischen Wellen. Nach au- ßen hin übertragen werden können insbesondere Messdaten. In der Gegenrichtung kann die Energieversorgung von außen über die Spule 16 beispielsweise in einen Energiepuffer wie einen Kondensator oder eine Akku vorgenommen werden. Diese berüh- rungslose Übertragung bietet wesentliche Vorteile in Bezug auf die Handhabung eines derartigen kapazitiven Mess-Systems.

Dabei ist besonders vorteilhaft die Energieübertragung und die Datenübertragung abwechselnd zu betreiben. Darüber hinaus kann die Datenübertragung beispielsweise durch ein externes Anforderungssignal abgerufen bzw. gestartet werden. Die Ab- frage der Referenzkapazität des Referenzkondensators 15 kann ebenfalls alternierend mit anderen Vorgängen geschehen.

Figur 5 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines Glas- substrates 10. Auf dessen Oberfläche sind dargestellt : Messelektrode 2, elektronisches Bauelement 14 in Flip-Chip- Technologie, Referenzkondensator 15 und Spule 16.

Diese gesamte Anordnung ist planar ausgeführt und beinhaltet ebenfalls interne Verdrahtungen.

Figur 6 zeigt die Verwendung von kapazitiven Mikrosystemen 17 an einem Fahrzeugsitz. Der Fahrzeugsitz 23 ist auf Trägern 7 montiert, wobei Sitzbefestigungen 18 zwischengeschaltet sind.

Diese Sitzbefestigungen 18 werden als oder in Zusammenhang mit Deformationselementen 6 dargestellt. Somit sind mechani- sche Elemente zwischen dem Fahrersitz 23 und dessen Basisträ- ger 7 vorhanden, deren mechanische Eigenschaften bekannt sind. Durch die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften der Verformungselemente 6 kann eine Aussage darüber getroffen werden, welche Gewichtskraft vorliegt, wenn sich das Verfor- mungselement 6 über einen bestimmten Betrag in einem vorgege- benen System, beispielsweise auf eine bestimmte Länge, biegt oder bewegt. Mit dem kapazitiven Mess-System 17 sind derarti- ge Auslenkungen kapazitiv messbar, nach außen hin übertragbar und können entsprechend in gewünschte Größen umgerechnet wer- den. Wie in Figur 6 dargestellt, dient eine Induktionsschlei- fe 19 zur Datenübertragung von den kapazitiven Mikrosystemen 17 oder zur Energieübertragung für diese Systeme. Die Daten über die Gewichtskräfte W14 können entsprechend entnommen o- der abgefragt werden.

Ein System entsprechend der Erfindung weist insbesondere fol- gende Vorteile auf : - Eine unbegrenzte Anzahl von Lastzyklen bzw. keinerlei Er- müdungserscheinungen oder Alterung, - eine hohe Überlastsicherheit, - leichte Montage durch zwei beabstandete Befestigungspunk- te, - einen linearen, digitalen Signalausgang, - keine individuelle Kalibrierung,

- keine unhandlichen Ausrichte-oder Montageprozesse bei der Herstellung, - Herstellung ausschließlich durch standardisierte Verfahren mit auf dem Markt erhältlichen Bauteilen, - kontaktlose Energie-und Signalübertragung.