JP6347517 | Hall sensor device and its manufacturing method |
JPH04297837 | SENSOR FOR MEASURING PHYSICAL PARAMETER |
WO/1998/050794 | ACCELEROMETER |
OSTRICK BERNHARD (DE)
KUBIAK MICHAEL (DE)
OSTRICK BERNHARD (DE)
DE10250321A1 | 2003-06-26 | |||
DE9113744U1 | 1992-01-16 | |||
DE4136355A1 | 1993-05-06 | |||
US20040169244A1 | 2004-09-02 | |||
EP1790987A1 | 2007-05-30 |
Sensoranordnung (SAN) , die einen dreidimensionalen Trägerkörper (TK) und mindestens zwei Sensoren (Sl, S2) zur Messung von Kräften aufweist, wobei der erste Sensor (Sl) auf einer ersten Außenfläche (AFI) des Trägerkörpers (TK) und der zweite Sensor (S2) auf einer zweiten Außenfläche (AF) des Trägerkörpers (TK) angeordnet ist, wobei die Normalen der ersten und der zweiten Außenfläche (AFI, AF2 ) einen Winkel einschließen, und wobei der Winkel die Bedingung 0° < < 180° erfüllt. Sensoranordnung (SAN) gemäß Anspruch 1, bei der der Trägerkörper (TK) ein Molded Interconnect Device ist. Sensoranordnung (SAN) gemäß Anspruch 1, bei der der Trägerkörper (TK) ein strukturierter Keramikkörper ist. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei der die Sensoren (Sl, S2) Beschleunigungskräfte messen . Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-4, bei der der Trägerkörper (TK) quaderförmig ist. 6. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-5, bei der der Trägerkörper (TK) die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfes aufweist. Sensoranordnung (SAN) gemäß Anspruch 6, bei der der Winkel die Bedingung 30° < ^ 70° erfüllt . Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-7, bei der der Trägerkörper (TK) Mittel (LS) zur Verschaltung der Sensoren aufweist. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-8, die zumindest einen weiteren Sensor (S3) zur Messung von Kräften aufweist, der auf einer dritten Außenfläche (A3) des Trägerkörpers (TK) angeordnet ist, wobei die Normalen der ersten und der dritten Außenfläche (AI, A3) einen Winkel ß einschließen, wobei die Normalen der zweiten und der dritten Außenfläche (A2, A3) einen Winkel γ einschließen und wobei die Winkel ß und γ die Bedingungen 0° < ß < 180° und 0° < γ < 180° erfüllen. Sensoranordnung (SAN) gemäß Anspruch 9, bei der jeder Sensor (Sl, S2, S3) jeweils den Anteil der Kräfte in nur eine Raumrichtung misst. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-10, bei der jeder Sensor (Sl, S2, S3) jeweils die Anteile der Kräfte in zwei voneinander verschiedene Raumrichtungen misst. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-11, die Mittel (SV) zur Signalverarbeitung aufweist. 13. Sensoranordnung (SAN) gemäß Anspruch 12, bei der die Mittel (SV) zur Signalverarbeitung auf einer Außenfläche (A4) des Trägerkörpers (TK) angeordnet sind, die frei von Sensoren (Sl, S2, S3) ist. 14. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-13, bei der die Sensoren (Sl, S2, S3) zur Messung von Kräften mikrostrukturierte Siliziumsensoren sind. 15. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-14, bei der zumindest zwei der Sensoren (Sl, S2, S3) unterschiedliche Messbereiche aufweisen. 16. Sensoranordnung (SAN) gemäß einem der Ansprüche 1-15, bei der zumindest zwei der Sensoren (Sl, S2, S3) unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen. |
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, die Sensoren zur Messung von Kräften aufweist.
Kräfte werden im Allgemeinen durch Vektoren beschrieben, wobei eine Kraft durch die Richtung und den Betrag eines Vektors definiert ist. Eine Sensoranordnung, die diese
Vektoren bestimmt, kann beispielsweise für Neigungssensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren und
Vibrationssensoren eingesetzt werden. Hieraus ergeben sich eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
Beschleunigungssensoren können beispielsweise in einem
Automobil zur Detektion von Unfällen und dem Auslösen eines Airbags eingesetzt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise im Bereich der
Videospielekonsolen, deren Eingabegeräten häufig
Beschleunigungssensoren aufweisen, oder für Festplatten von Notebooks. Demzufolge reicht das Spektrum der zu messenden Beschleunigungen von Bruchteilen der Erdbeschleunigung bis zu Vielfachen der Erdbeschleunigung von mehreren Hundert g.
Aus vielen der hier genannten Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich Anforderungen an die Sensoranordnung bezüglich einer möglichst geringen Leistungsaufnahme und einer
Miniaturisierung der Bauelemente.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Sensoranordnungen bekannt, bei denen Kräfte mit auf einer Leiterplatine angeordneten Sensoren bestimmt werden. EP 1790987 AI
beschreibt einen mehrachsigen Beschleunigungssensor auf der Basis von magnetoresistiven Detektoren. Hierbei wird ein mit Magneten bestücktes Trägerelement derart über einer Platine angeordnet, dass auf das Trägerelement wirkende Kräfte zu einer Torsion und/oder zu einem Verkippen des Elementes führen. Auf der Leiterplatine sind Sensoren angeordnet, die eine sich daraus ergebende Veränderung des Magnetfeldes messen .
Sensoranordnungen, bei denen alle Sensoren in einer Ebene angeordnet sind, weisen üblicherweise eine bevorzugte
Raumrichtung auf, in die die Messungen besonders genau sind. Die Messgenauigkeit in die anderen Raumrichtungen ist dagegen häufig unzureichend.
Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es daher, eine
Sensoranordnung bereitzustellen, die es ermöglicht, Kräfte in alle Raumrichtungen mit einer hohen Genauigkeit zu messen und die sich durch einen geringen Platzbedarf auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensoranordnung mit den
Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus weiteren Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Sensoranordnung vorgeschlagen, die einen dreidimensionalen Trägerkörper und mindestens zwei Sensoren zur Messung von Kräften aufweist. Der erste Sensor ist auf einer ersten Außenfläche des Trägerkörpers und der zweite Sensor auf einer zweiten Außenfläche des Trägerkörpers angeordnet, wobei die Normalen der ersten und der zweiten Außenfläche einen Winkel . einschließen, und wobei der Winkel die Bedingung 0° < < 180° erfüllt. Eine Kraft wird durch ihre Stärke und durch Angabe der
Richtung, in die die Kraft wirkt, definiert. Die Angabe von Betrag und Richtung der Kraft kann zu einer vektoriellen Größen, dem sogenannten Kraftvektor, zusammengefasst werden. In einem dreidimensionalen Raum hat ein Kraftvektor drei Komponenten, wobei jede Komponente den Anteil der Kraft in je eine Raumrichtung eines dreidimensionalen Koordinatensystems angibt .
Die unterschiedlichen räumlichen Ausrichtungen der Sensoren ermöglichen es, die einzelnen Komponenten des Kraftvektors separat zu messen. Es können einfache und günstige Sensoren zu einer Sensoranordnung kombiniert werden. Die
Sensoranordnung kann Mittel zur Signalauswertung aufweisen. Jeder der Sensoren kann hier den Anteil der Kraft in
zumindest eine Raumrichtung mit einer gewissen Genauigkeit messen. Die Mittel zur Signalauswertung können die Messwerte der einzelnen Sensoren auswerten und aus diesen Messwerten den Betrag und die Richtung des Kraftvektors ermitteln. Da die Sensoranordnung mehrere Sensoren mit einer gewissen
Genauigkeit aufweist und die Mittel zur Signalauswertung die Messwerte dieser mehreren Sensoren berücksichtigt, kann der Kraftvektor mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die höher ist als die Genauigkeit der Sensoren. Somit können einfache und kostengünstige Sensoren mit begrenzter Genauigkeit zu einer Sensoranordnung mit gegenüber den Sensoren verbesserter Genauigkeit kombiniert werden.
Für die Ausgestaltung des Trägerkörpers sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. Es kann sich bei dem Trägerkörper um einen sogenannten Molded Interconnect Device (MID) oder um einen strukturierten Keramikkörper handeln. Vorzugsweise lässt der Körper sich mit einer hohen Genauigkeit herstellen. Ist der Trägerkörper mit einer hohen Genauigkeit gefertigt, so können die Sensoren exakt zueinander positioniert werden und auf diese Weise kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden .
Um durch die Kombination der Sensoren zu einer
Sensoranordnung eine hohe Messgenauigkeit der Sensoranordnung zu gewährleisten, ist es nicht notwendig, dass alle Sensoren in einem bestimmten Winkel, etwa 90°, zueinander ausgerichtet sind. Sind vielmehr die Winkel bekannt, in denen die Sensoren zueinander angeordnet sind, so können diese Winkel jeden beliebigen Wert annehmen. Die Mittel zur Signalverarbeitung können derart ausgestaltet sein, dass sie den Kraftvektor aus den Messwerten von beliebig zueinander angeordneten Sensoren bestimmen, wobei lediglich die Anordnung der Sensoren bekannt sein muss.
Eine Möglichkeit die Anordnung der Sensoren auf einem
Trägerkörper zueinander zu bestimmen, besteht darin, den Trägerkörper zu vermessen. Wird die Sensoranordnung
allerdings in einer hohen Stückzahl hergestellt, so würde durch die Vermessung einer Vielzahl von Trägerkörpern ein erheblicher Aufwand entstehen.
Vorzugsweise werden daher Trägerkörper verwendet, die mit einer hohen Genauigkeit gefertigt sind. In diesem Fall ist die Form des Trägerkörpers und somit auch die Anordnung der Sensoren zueinander mit hoher Genauigkeit bekannt. Auf eine Vermessung jedes einzelnen Trägerkörpers kann dementsprechend verzichtet werden.
In einer Aus führungs form ist der Trägerkörper ein MID. Als MID werden elektronische Bauelemente bezeichnet, bei denen auf dreidimensional geformten spritzgegossenen Trägerkörper leitende Strukturen in Form einer strukturierten
Metallschicht aufgebracht ist. Im Vergleich zum
konventionellen Aufbau elektronischer Geräte mit ebenen
Leiterplatten auf Epoxidharzbasis bieten sie eine Reihe von technologischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Ein
wesentlicher Punkt ist dabei die Zusammenführung mechanischer und elektrischer Funktionen in einem Bauelement. Dies hat eine Reduzierung des Materialeinsatzes und der Anzahl der Einzelteile zur Folge. Zusätzlich kann der Montageaufwand für die unterschiedlichen Komponenten gesenkt und eine Verkürzung der Prozesskette erreicht werden. Dies führt zu einer
Erhöhung der Zuverlässigkeit, zu einer Verringerung der
Fertigungskosten und zu einer weitere Verkleinerung der
Sensoranordnung .
Als Trägerkörper werden überwiegend thermoplastische
Kunststoffe eingesetzt, aber auch spritzgegossene Elastomere, Duroplaste oder Keramiken sind verwendbar.
MIDs können auf verschiedenste Art produziert werden. Ein MID-Herstellungsverfahren weist üblicherweise die Schritte Formgebung, Metallisierung und Strukturierung auf. Die wichtigsten Verfahren zur Aufbringung der leitenden
Strukturen sind der Zweikomponentenspritzguss , das
Heißprägen, das Maskenbelichtungsverfahren, die
Laserstrukturierung und das Folienhinterspritzen .
Grundsätzlich wird zwischen substraktiv strukturierenden und additiv metallisierenden Verfahren unterschieden.
Handelt es sich bei dem Trägerkörper um einen MID, so
zeichnet sich dieser insbesondere dadurch aus, dass er in nahezu beliebiger Geometrie und mit hoher Genauigkeit gefertigt werden kann. Dies ermöglicht es, die Sensoren exakt auszurichten und dementsprechend einen dreidimensionalen Kraftvektor durch die Kombination mehrerer Sensoren exakt zu vermessen. Eine Sensoranordnung, die mehrer Sensoren
aufweist, kann ferner Mittel zur Signalverarbeitung
aufweisen, die es ermöglichen einen dreidimensionalen
Kraftvektor mit einer Genauigkeit zu bestimmen, die höher ist als die Genauigkeit der Sensoren, sofern die Ausrichtung der Sensoren zueinander bekannt ist.
Da MIDs sehr klein gefertigt werden können und darüber hinaus bereits leitende Strukturen zur Verschaltung der Sensoren aufweisen, ermöglicht es ein MID-Trägerkörper, eine sehr kleine Sensoranordnung zu fertigen. Diese Miniaturisierung ermöglicht es die Sensoranordnung in einer Vielzahl von
Anwendungen einzusetzen, bei denen eine Sensoranordnung auf einer zweidimensionalen Leiterplatte aufgrund der größeren Abmessungen dieser Leiterplatte in einer Ebene ungeeignet ist .
Erfindungsgemäß werden die Sensoren auf einem
dreidimensionalen Trägerkörper aufgebracht. Handelt es sich bei dem Trägerkörper um ein MID, so zeichnet sich das MID insbesondere durch hohe Fertigungsgenauigkeit und
Miniaturisierung aus.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der
Trägerkörper ein strukturierter Keramikkörper. Ein solcher Keramikkörper kann in einem Gussverfahren in die gewünschte Form strukturiert werden. Er kann auch aus einem Werkstück aus Keramik in einem spanenden Verfahren, beispielsweise einem CNC-Fräsverfahren, hergestellt werden. Auch Keramikkörper lassen sich mit einer sehr hohen Genauigkeit und hinreichend klein herstellen.
Auf einem strukturierten Keramikkörper können leitende
Strukturen, die zur Verschaltung der Sensoren dienen können, durch Aerosol Printing aufgebracht werden. Dabei wird ein metallhaltiges Aerosol erzeugt und über eine Düse kontaktlos auf den Keramikkörper aufgebracht.
In einer Aus führungs form weist die Sensoranordnung zumindest zwei Sensoren auf, wobei der erste Sensor auf einer ersten Außenfläche des Trägerkörpers und der zweite Sensor auf einer zweiten Außenfläche des Trägerkörpers angeordnet ist. Die Normalen der ersten und der zweiten Außenfläche schließen einen Winkel einschließen, der die Bedingung = 90° erfüllen kann. Es kann sich bei dem Trägerkörper in dieser Aus führungs form beispielsweise um einen Quader handeln.
Es sind darüber hinaus aber auch Anwendungen denkbar, bei denen es günstig ist, die Sensoren unter anderen Winkeln zueinander anzuordnen. In diesem Fall kann der Trägerkörper als Pyramide oder Pyramidenstumpf ausgebildet sein.
Insbesondere kann der Trägerkörper auch als Tetraeder oder Tetraederstumpf ausgebildet sein. Die normalen der ersten und der zweiten Außenfläche, auf denen jeweils ein Sensor aufgebracht ist, schließen einen Winkel ein, der die
Bedingung 30° < α < 70° erfüllt.
Ist der Winkel a. dagegen gleich 0° oder liegt nahe 0°, sind die Sensoren nahezu parallel angeordnet. In diesem Fall könnte sich eine bevorzugte Raumrichtung der Sensoranordnung mit höherer Messgenauigkeit ergeben. Ferner kann der Trägerkörper Mittel zur Verschaltung der Sensoren aufweisen. Ist der Trägerkörper ein MID, so handelt es sich hierbei um die metallischen Leiterbahnen, die auf dem spritzgegossenen Trägerkörper aufgetragen sind. Ferner können aber auch weitere Mittel zur Verschaltung der Sensoren, wie etwa Bonddrähte, verwendet werden.
In einer Aus führungs form weist die Sensoranordnung zwei
Sensoren auf, wobei jeder Sensor jeweils die Anteile der Kräfte in zwei voneinander verschiedene Raumrichtungen misst. Diese Sensoren werden nachfolgend als zweidimensionale
Sensoren bezeichnet.
Es ist möglich, mit zwei zweidimensionalen Sensoren einen dreidimensionalen Kraftvektor exakt zu vermessen, sofern sich zumindest eine der Raumrichtungen, in die der zweite Sensor die Anteile der Kräfte misst, von den Raumrichtungen
unterscheidet, in die der erste Sensor die Anteile der Kräfte misst .
In einer alternativen Ausgestaltung weist die Sensoranordnung Sensoren auf, die jeweils den Anteil der Kräfte in nur eine Raumrichtung messen. Diese Sensoren werden nachfolgend als eindimensionale Sensoren bezeichnet. Um mit einer
Sensoranordnung mit lediglich eindimensionalen Sensoren einen dreidimensionalen Kraftvektor vermessen zu können, weist die Sensoranordnung zumindest drei Sensoren auf. Dabei ist jeder Sensor auf einer eigenen Außenfläche des Trägerkörpers angeordnet. Die Normalen dieser drei Außenflächen spannen ein dreidimensionales Koordinatensystem auf. Die Normalen der ersten und dritten Außenfläche schließen den Winkel ß ein. Die Normalen der zweiten und dritten Außenfläche schließen den Winkel γ ein. Die Winkel α, ß und γ erfüllen die
Bedingung 0° < , ß, γ < 180°.
Darüber hinaus sind auch Sensoranordnungen denkbar, die eindimensionale und zweidimensionale Sensoren aufweisen.
Ferner kann die Sensoranordnung Mittel zur Signalverarbeitung aufweisen. Es kann sich dabei um einen MEMS- Signalverarbeitungsbaustein handeln. Die Mittel zur
Signalverarbeitung werden in einem Ausführungsbeispiel auf eine Außenfläche des Trägerkörpers angeordnet, die frei von Sensoren ist. Auf diese Weise können unerwünschte
Wechselwirkungen zwischen den Sensoren und den Mitteln zur Signalverarbeitung vermieden werden.
Die Sensoren können mikrostrukturierte Siliziumsensoren, MEMS-Chips, sein. MEMS-Chips ermöglichen eine Reduzierung der Leistungsaufnahme und Baugröße. Ein- und zweidimensionale Sensoren können Single-Chips sein, d.h. sämtliche Bauelemente eines Sensors sind auf einem Chip angeordnet.
Die Sensoren können dabei auf verschiedensten Messprinzipien beruhen. Es sind beispielsweise piezoresistive,
magnetoresistive oder kapazitive Messverfahren bekannt.
Zumindest zwei der Sensoren der Sensoranordnung können unterschiedliche Messbereiche aufweisen. Dieses ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Sensoranordnung für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen vorgesehen ist. Ein Sensor oder einige der Sensoren können auf die Messung sehr geringer Kräfte im Bereich von Bruchteilen der
Erdbeschleunigung ausgelegt sein. Andere Sensoren können auf die Messung von wesentlich höheren Kräften, die ein Vielfaches der Erdbeschleunigung betragen können, ausgelegt sein .
Ferner können sich zumindest zwei der Sensoren in der
Empfindlichkeit unterscheiden. Werden Sensoren, die sich in ihren Eigenschaften wie etwa der Empfindlichkeit oder dem Messbereich unterscheiden, miteinander zu einer
Sensoranordnung kombiniert und sind die Eigenschaften der Sensoren bekannt, so kann sich eine Sensoranordnung ergeben, die in ihren Eigenschaften den einzelnen Sensoren überlegen ist und beispielsweise einen größeren Messbereich und eine höhere Empfindlichkeit aufweist. Es ist beispielsweise möglich, Sensoren miteinander zu kombinieren, die
unterschiedliche Messgrößen erfassen. Einer der Sensoren kann eine Kraftänderung messen und ein anderer Sensor die momentan wirkende Kraft erfassen. Durch eine geschickte
Signalverarbeitung ergibt sich eine Sensoranordnung mit gegenüber den einzelnen Sensoren verbesserten Eigenschaften.
In Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Sensoranordnung,
Figur 2 eine um 90° gedrehte Ansicht der in Figur 1
gezeigten erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 3 einen piezoresistiven Sensor, und Figur 4 einen weiteren piezoresistiven Sensor.
Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Sensoranordnung SAN in perspektivischer Ansicht, wobei Figur 2 die in Figur 1 dargestellte Sensoranordnung SAN nach einer Rotation um 90° zeigt .
Die Sensoranordnung SAN weist einen Trägerkörper TK sowie drei Sensoren Sl, S2, S3 zur Messung von Kräften auf. Der
Trägerkörper TK ist quaderförmig. Jeder der drei Sensoren Sl, S2, S3 ist auf jeweils einer der Außenflächen AI, A2, A3 des Trägerkörpers TK angeordnet. Die Normalen der mit je einem Sensor Sl, S2, S3 bestückten Außenflächen AI, A2, A3 stehen senkrecht aufeinander.
Die Sensoranordnung SAN weist ferner Mittel SV zur
Signalverarbeitung auf. Die Mittel SV zur Signalverarbeitung sind auf einer weiteren Außenfläche A4 des Trägerkörpers TK, die frei von Sensoren Sl, S2, S3 ist, angeordnet. Die Mittel SV zur Signalverarbeitung werten die Messungen der Sensoren Sl, S2, S3 aus. Durch eine geeignete Signalverarbeitung ist es möglich, für die Sensoranordnung SAN eine Messgenauigkeit zu erreichen, die die Messgenauigkeit der einzelnen Sensoren Sl, S2, S3 übertrifft.
Bei dem Trägerkörper TK kann es sich um einen MID oder strukturierten Keramikkörper handeln. Ein MID kann mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Dementsprechend ermöglicht es die Verwendung eines MIDs als Trägerkörper TK, die Sensoren Sl, S2, S3 der Sensoranordnung SAN exakt zueinander zu positionieren. Ferner ermöglicht es ein MID als Trägerkörper TK, die Sensoranordnung SAN zu miniaturisieren. Ein MID weist an seiner Oberfläche leitende Strukturen LS z Verschaltung der Sensoren Sl, S2, S3 auf. Die Sensoren Sl, S2, S3 sind mit den Mitteln SV zur Signalverarbeitung über die leitende Strukturen LS verschaltet.
Im Rahmen der Erfindung ist der Trägerkörper TK nicht auf MIDs beschränkt. Insbesondere kann es sich bei dem
Trägerkörper TK auch um einen strukturierten Keramikkörper handeln. Ein solcher Keramikkörper kann beispielsweise in einem Keramik-Spritzgussverfahren hergestellt werden und es können Leiterbahnen mittels Aerosol Printing auf den
Keramikkörper aufgebracht werden. Auch ein strukturierter Keramikkörper kann sehr klein und sehr präzise hergestellt werden, so dass der Keramikkörper ebenfalls eine
Miniaturisierung der Sensoranordnung sowie eine genaue Ausrichtung der Sensoren zueinander ermöglicht.
Ferner ist die Erfindung nicht auf das hier dargestellte Beispiel eines quaderförmigen Trägerkörpers TK beschränkt. Grundsätzlich kann der Trägerkörper TK jede beliebige dreidimensionale Form annehmen, sofern die Ausrichtung der Sensoren Sl, S2, S3 untereinander bekannt ist. Für manche Anwendungen können pyramidenförmige oder
pyramidenstumpfförmige, insbesondere tetraederförmige oder tetraederstumpfförmige Trägerkörper TK vorteilhaft sein.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung SAN kann einen piezoresitiven Sensor Sl, S2, S3 aufweisen. Figur 3 zeigt eine Aus führungs form eines piezoresistiven Sensors Sl, S2, zur Messung von Kräften. Der Sensor Sl, S2, S3 weist eine Körper KO und eine Zunge ZU auf. Ein Ende der Zunge ZU ist über einen dünnen Steg ST mit dem Körper KO verbunden. An dem anderen Ende der Zunge ZU ist eine Plattform PL angeordnet, die gegenüber dem Steg ST verbreitert ist. Die Zunge ZU ist somit an dem Körper KO lediglich an einem Punkt befestigt und kann gegenüber dem Körper KO schwingen. Der Körper KO und die Zunge ZU bestehen im Wesentlichen aus einem piezoelektrischen Material.
Vorzugsweise bestehen der Körper KO und die Zunge ZU aus mit Fremdatomen dotiertem Silizium oder weisen dotiertes Silizium auf .
Wird der Bewegungszustand des Sensors Sl, S2, S3 durch eine Beschleunigungskraft geändert, so verformt sich die Zunge ZU auf Grund der Trägheit der Plattform PL. Da die Zunge ZU im Wesentlichen aus einem piezoelektrischen Material besteht, führt eine Verformung der Zunge ZU zu einer
Widerstandsänderung. An den Sensor Sl, S2, S3 kann eine
Spannung angelegt sein, welche es ermöglicht, eine
Widerstandsänderung des Sensors Sl, S2, S3 zu messen.
Der hier beschriebene Sensor Sl, S2, S3 misst Kräfte bzw. Anteilen von Kräften, die parallel zu der Normalen der
Plattform PL wirken. Es handelt sich dementsprechend um einen eindimensionalen Sensor Sl, S2, S3. Kraftanteile, die
senkrecht zu der Normalen der Plattform PL wirken, lassen sich mit dem hier gezeigten Sensor Sl, S2, S3 nicht oder nur mit einer recht geringen Genauigkeit messen.
Ein piezoresistiver Sensor Sl, S2, S3 gemäß Figur 3 eignet sich nicht nur zur Messung von dynamischen Kräften, wie beispielsweise, Beschleunigungskräften, sondern kann auch zur Messung von statischen Kräften eingesetzt werden. Wird der Sensor Sl, S2, S3 geneigt, so verformt sich die Zunge ZU aufgrund des Eigengewichts der Plattform PL. Auch diese
Verformung führt zu einer Widerstandsänderung und kann über eine angelegte Spannung gemessen werden.
Figur 4 zeigt ein zweites Beispiel für einen piezoresistiven Sensor Sl, S2, S3 zur Messung von Kräften. Auch dieser Sensor
51, S2, S3 weist eine Plattform PL aus einem
piezoelektrischen Material auf. Die Plattform PL ist über zwei Stege ST1, ST2 mit einem Körper KO des Sensors Sl, S2, S3 verbunden. Die Stege ST1, ST2 wirken als elastische
Federn, die einer Bewegung der Plattform PL entgegenwirken. Wirkt nun eine Kraft auf die Plattform PL, so führt dies zu einer Verformung der Stege ST1, ST2, die wiederum zu einer messbaren Widerstandsänderung führt. Der in Figur 4 gezeigte Sensor Sl, S2, S3 funktioniert somit nach den gleichen
Messprinzipien wie bereits im Zusammenhang mit dem in Figur 2 gezeigten Sensor Sl, S2, S3 diskutiert. Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf eindimensionale Sensoren Sl, S2, S3 beschränkt. Die Sensoranordnung SAN kann auch zweidimensionale oder auch dreidimensionale Sensoren Sl,
52, S3 aufweisen. Ferner sind neben den hier diskutierten piezoresistiven Sensoren Sl, S2, S3 auch andere Sensoren zur Messung von Kräften denkbar. Es können beispielsweise
magnetoresistive oder kapazitive Sensoren eingesetzt werden. Bezugs zeichen
SAN - Sensoranordnung
TK - Trägerkörper
Sl - Sensor
S2 - Sensor
S3 - Sensor
AI - Außenfläche des Trägerkörpers
A2 - Außenfläche des Trägerkörpers
A3 - Außenfläche des Trägerkörpers
A4 - Außenfläche des Trägerkörpers
SV - Mittel zur Signalverarbeitung
LS - leitende Strukturen
KO - Körper
ZU - Zunge
ST - Steg
ST1 - Steg
ST2 - Steg
PL - Plattform
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