Druckempfindlicher Ohmscher Widerstand
Die Erfindung betrifft einen druckempfindlichen Ohmschen Widerstand.
Solche druckempfindlichen Widerstände finden beispielsweise Verwendung als Widerstandsgeber bei elektrischen Kraft- und Druckmessungen. Bekannte gebräuchliche Ausführungen sind die älteren Kohledruckwiderstände und die neueren Kristallwiderstände und Dehnungsmessstreifen.
Die Kohledruckwiderstände bestehen aus aufeinandergeschichteten Kohleplättchen, zwischen welchen durch Grenzflächeneffekte bedingte druckabhängige Übergangswiderstände vorhanden sind. Die Druck-Widerstand-Kennlinie zeigt eine gewisse Hysteresis und die Widerstände sind temperatur- und feuchtigkeitsempfindlich. Blosse Kohleplättchensäulen sind praktisch nicht verwendbar und die kompletten Geber, bei welchen üblicherweise in einem Gehäuse zur Kompensation von Fehlern zwei Kohleplättchensäulen angeordnet sind, sind ihrer besonderen Konstruktion entsprechend jeweils nur für bestimmte Fälle brauchbar, wobei meist noch zusätzliche Hilfsmittel zur Druckkraftübertragung nötig sind. Die Kristallwiderstände bestehen aus Halbleiterkristallen, vorzugsweise aus Germanium- oder Silizium
Einkristallen.
Die Umwandlung von Druck- und Wider standsänderungen beruht auf dem sogenannten Elastowiderstandseffekt: wird das Kristallgitter in bestimmter Richtung zusammengedrückt, so ändert sich der Wider stand. Neben den sehr guten messtechnischen Eigen schaften haben die Kristallwiderstände den Vorteil, dass mit ihnen sehr kleine Geber hergestellt werden können.
Die Herstellung ist jedoch ziemlich kompliziert und zumindest in den Endphasen auf eine individuelle Behandlung der einzelnen Widerstände abgestellt. Die
Kristallwiderstände sind ebenfalls temperaturempfindlich und bei Messungen wird üblicherweise neben dem belasteten ein unbelasteter Kompensationswiderstand verwendet.
Dehnungsmesstreifen enthalten einen metallischen Leiter, der durch mechanische Beanspruchung gestreckt (oder gestaucht) wird und dabei seine Länge, Querschnittsfläche und spezifischen Widerstand ändert. Der Leiter, häufig ein in Mäanderform gebogener Draht, ist zwischen zwei elektrisch isolierende Plättchen geklebt.
Zur Druckkraftmessung muss der Dehnungsstreifen auf einen Körper aufgeklebt werden, auf den die zu messenden Druckkräfte einwirken. Die Genauigkeit der Messung ist deshalb weitgehend von der Klebung abhängig.
Die Herstellung der Dehnungsmessstreifen ist verhältnismässig einfach, jedoch im wesentlichen an Einzelanfertigung gebunden. Änderungen in den Abmessungen fertiger Dehnungsmessstreifen sind im allgemeinen nicht möglich, so dass zur Erfassung der verschiedenartigsten Messbedingungen ein Sortiment verschieden dimensionierter Messstreifen nötig ist, was eine Massenfabrikation erheblich erschwert.
Zweck der Erfindung ist ein vielseitig anwendbarer, den verschiedenartigsten Messgegebenheiten leicht anpassbarer und für eine Serienfabrikation geeigneter druckempfindlicher Ohmescher Widerstand.
Der erfindungsgemässe druckempfindliche Ohmsche Widerstand ist dadurch gekennzeichnet, dass ein elastischer, elektrisch isolierter Träger mindestens eine durchgehende Öffnung aufweist und die Öffnung mit einer aus elektrisch leitenden Körnern und einem elektrisch isolierenden Binder bestehenden Widerstandsmasse dicht und an den Öffnungsmündungen mit der Trägeroberfläche je eine glatte Andruckfläche bildend ausgefüllt ist.
Bei dem erfindungsgemässen druckempfindlichen Ohmschen Widerstand erfolgt die Änderung des elektri schen Widerstandes des Widerstandsmasse-Einschlusses durch Änderung seines Volumens, das durch die Öffnung im elastischen, isolierenden Träger bestimmt ist.
Im Elastizitätsbereich des Trägermaterials sind die Volumenänderungen der Öffnung von der Belastungsänderung des Trägers abhängig und hysteresisfrei, solange das Trägermaterial keine Ermüdungserscheinungen zeigt. Die beiden Teile des Widerstandes, der Träger und die Widerstandsmasse, erfüllen verscheidene Funktionen und können dementsprechend unabhängig voneinander insbesondere durch Auswahl geeigneter Materialien einem Anwendungsbereich optimal angepasst werden.
Vorzugsweise erhält der elastische, isolierende Träger die Form eines Blockes, einer Scheibe oder einer Folie mit planparallelen Andruckflächen und einer Vielzahl von Öffnungen, die insbesondere über die Andruckfläche gleichmässig verteilt sein können, so dass der Widerstand durch Zuschneiden mit einfachen Mitteln in Form und Grösse den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden kann. Besonders vorteilhaft sind Träger, die aus einer perforierten Folie aus einem Elastomer bestehen, da die Widerstände dann biegsam sind und mit einfachen Schneidwerkzeugen mühelos in die gewünschte Form gebracht werden können.
In Anordnungen, bei welchen z. B. die Druckkräfte von Metallteilen gemessen werden sollen, sind bereits solche Widerstände als Geber verwendbar, wenn sie über die Metallteile an Spannung gelegt werden können.
In allen anderen Fällen müssen die Andruckflächen mit Anschlusselektroden versehen werden, durch die die einzelnen Widerstandsmasse-Einschlüsse elektrisch pa rallelgeschaltet werden.
Diese Anschlusselektroden können bereits bei der Fertigung, z. B. in Form von Aufdampfschichten aufgebracht werden. Vom für die Anwendung zurechtgeschnittenen Widerstand können dann störende Elektrodenbereiche beispielsweise durch Einschneiden und Abheben des Belags entfernt werden. Aus belegten folienförmigen Widerständen können auf einfache Weise nahezu beliebige Geber zusammengestellt werden. So können beispielsweise Folienzuschnitte zu einem blockförmigen Geber aufeinandergeschichtet werden und es kann auf einem Folienzuschnitt durch entsprechendes Entfernen von Elektroden-Belag eine Anzahl Geber, insbesondere ein Geber und ein Kompensationswiderstand, gebildet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ausführlich erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen druckempfindlichen Widerstand nach der Erfindung mit einem aus einem Elastomer bestehenden und eine Vielzahl durchgehender und mit Widerstandsmasse ausgefüllter Öffnungen aufweisenden Träger in Folienform,
Fig. 2 eine Ausführungsform des druckempfindlichen Widerstandes, bei der ein gitterförmiger elastischer Träger auf einer elektrisch leitenden Unterlage angeordnet ist,
Fig. 3 einen scheibchenförmigen Miniaturwiderstand mit einer zentralen zylindrischen Öffnung, die mit Widerstandsmasse ausgefüllt ist,
Fig. 4 einen scheibchenförmigen Minaturwiderstand mit einer Mehrzahl von Öffnungen und
Fig. 5 einen in Form eines zylindrischen Stäbchens ausgebildeten Widerstand, von dem Widerstände der in Fig.
3 gezeigten Art in gewünschten Dicken abgeschnitten werden können.
Der in Fig. 1 dargestellte druckabhängige Widerstand besteht aus einem folienförmigen Träger 1 aus einem elastischen und elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus einem Elastomer, wie gummierlastischem Kunststoff. Die Foliendicke liegt z. B. zwischen 0,1 und mehreren Millimetern, die Grösse der Folie kann an sich beliebig sein und richtet sich lediglich nach den jeweils zur Verfügung stehenden Vorrichtungen, die für die Herstellung des Widerstandes nötig sind. Die Folie weist eine Vielzahl durchgehender Öffnungen 2 auf, welche z. B. zylindrische Form haben und über die Folienfläche gleichmässig verteilt sind. Der Durchmesser der zylindrischen Öffnungen 2 kann z. B. 0,2 mm betragen. Diese Öffnungen können auf beliebige Weise hergestellt werden, z. B. durch Stanzen oder auch mit Hilfe von Laser-Geräten. Die Öffnungen 2 sind mit einer Widerstandsmasse 3 dicht ausgefüllt.
Diese Widerstandsmasse besteht aus einem in weiten Grenzen elastischen und elektrisch isolierenden Binder, der mit einem elektrisch leitenden Pulver zu einer homogenen Masse verarbeitet ist. Die Pulverkörner können beliebige Form haben und ihre Grösse ist von den Massen der Öffnungen 2 im Träger 1 abhängig. In jeder Öffnung 2 müssen immer viele Pulverkörner übereinander liegen.
Für das Pulver kommen praktisch alle elektrisch leitenden festen Substanzen in Frage, die vorzugsweise einen möglichst niedrigen Temperaturkoeffizienten haben, im vorgesehenen Druck- und Temperaturbereich des Widerstandes nicht sintern, vor allem Metalle, elektrisch leitende Metallverbindungen, wie z. B. Metalloxyde, Kohle usw. oder Mischungen solcher pulverisierter Substanzen. Mit massgebend für die Auswahl eines bestimmten Pulvermaterials ist der Widerstandsbereich, der durch den druckempfindlichen Widerstand erfasst werden soll.
Eine bevorzugte Widerstandsmasse besteht z. B. aus Mangandioxyd-Pulver, welchem 10 Gewichtsprozent Nickelpulver zugemischt sind, und einem synthetischen Gummi mit Thermoplastzusatz als Binder. Die Widerstandsmasse wird auf die perforierte Folie aufgestrichen und z. B. durch Vakuum in die Öffnungen eingesaugt, so dass alle Öffnungen dicht ausgefüllt sind. Nach dem Abstreifen der überschüssigen Widerstandsmasse wird die Trägerfolie gepresst und einer Wärmebehandlung unterworfen. Die Folienoberfläche ist nach dem Pressen mit einer zusammenhängenden dünnen Schicht aus Widerstandsmasse bedeckt. Wird diese Schicht lediglich an den Folienrändern entfernt, so erhält man einen druckempfindlichen Widerstand, bei dem durch die aufliegende Widerstandsmasse alle mit Widerstandsmasse ausgefüllten Öffnungen elektrisch parallel geschaltet sind.
In etlichen Anwendungsfällten sind derart ausgebildete druckempfindliche Widerstände bereits mit Vorteil zu verwenden.
Um Präzisionswiderstände zu erhalten, werden diese Deckschichten aus Widerstandsmasse abgetragen, so dass sich planparallele Flächen ergeben und die Widerstandsmasse-Einschlüsse elektrisch durch den Träger voneinander völlig isoliert sind. Ein solcher durckempfindlicher Widersand ist bereits als Widerstandsgeber verwendbar, wenn, wie bereits erwähnt, z. B. die Messanordnung Metallteile aufweist, zwischen die der Geber eingesetzt werden soll, und die Möglichkeit besteht, dem Geber über diese Metallteile Spannung zuzuführen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung sind die planparallelen Flächen 4 mit je einer Metallschicht 5 abgedeckt. Die Metallschichten können auf beliebige Weise aufgebracht werden. z. B. durch Aufdampfen, Aufspritzen, Aufstreichen usw.
Mit einer Schere oder einem Messer kann der Widerstand auf die jeweils gewünschte Form zugeschnitten werden. Er ist biegsam und daher auch bei gekrümmten Flächen anwendbar. In Druckbereichen, die den Elastizitätsbereich seines Trägermaterials nicht überschreiten, ist der Widerstand ohne zusätzliche Hilfsmassnahmen verwendbar, bei grösseren Drücken sind bekannte Hilfsmassnahmen anzuwenden, durch die die Deformation des Widerstandselementes auf den elastischen Bereich beschränkt wird.
Durch die Wahl eines geeigneten Trägermaterials können daher Widerstände für die verschiedensten Druckbereiche hergestellt werden. Für sehr niedrige Drücke ist z. B. als Träger ein perforiertes Papier geeignet. Für höhere Drücke kann als Träger z. B. ein Metallgitter verwendet werden, dessen Oberfläche elektrisch isolierend gemacht ist. Sehr hoch belastbare Widerstände können als Träger z. B. eine dünne perforierte Quarzscheibe enthalten.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen druckempfindlichen Widerstand, bei dem ein dünner folienförmiger Träger auf eine Unterlage aufgebracht ist.
Für einen Widerstand mit Quarzträger besteht die Unterlage 6 aus z. B. einer mit elektrisch leitendem Material beschichteten Quarzplatte, die mindestens eine solche Stärke hat, um dem aufliegenden Gitter 7 aus Quarz eine ausreichende Bruchfestigkeit zu geben. Das Quarzgitter kann z. B. auf die Unterlage 6 aufgedampft sein. Die Gitteröffnungen 8 sind mit Widerstandsmasse 3 ausgefüllt. Nach dem Glätten wird, wie bereits beschrieben, die Metallschicht 5 aufgebracht.
Ein druckempfindlicher Widerstand in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform mit einem aus einem isolierten Metallgitter bestehenden Träger kann auch durch Anwendung von bekannten Aetz- und Maskierverfahren hergestellt werden. Die Unterlage 6 ist beispielsweise eine dünne Aluminiumplatte, in deren einen Seite eine Gitterstruktur eingepresst ist. Nach einer Maskierung werden die Gitterstäbe 7 zu Aluminiumoxyd oxydiert, das ein ausgezeichneter elektrischer Isolator ist.
Wie ersichtlich, sind für die Herstellung der druckempfindlichen Widerstände mit dem gezeigten Aufbau verschiedene bekannte technologischen Verfahren anwendbar.
Verschiedentlich werden Miniaturgeber benötigt, die sich auch in kleinen Messanordnungen leicht unterbringen lassen.
Die Figuren 3 und 4 zeigen vergrössert zwei Ausführungsformen. Der in Fig. 3 dargestellte druckempfindliche Widerstand besteht aus einem kreisrunden Scheibchen, dessen Durchmesser z. B. 2 mm beträgt. In der Mitte befindet sich eine durchgehende Öffnung 2, die mit Widerstandsmasse ausgefüllt ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 enthält das kreisrunde Scheibchen 9 mehrere solche durchgehende Öffnungen 2. An sich können auch solche Miniaturwiderstände aus folienförmigen Widerständen der vorstehend beschriebenen Art ausgeschnitten werden. Häufig ist es jedoch vorzuziehen, wie in Fig. 5 gezeigt, den elastischen, elektrisch isolierenden Träger in Form eines Röhrchens 10 mit der gewünschten Anzahl in axialer Richtung hindurchgehender Öffnungen 11 herzustellen und diese Öffnungen 11 mit der Widerstandsmasse 3 auszufüllen.
Nach der Wärmebehandlung können dann Widerstandsscheibchen der gewünschten Dicke abgeschnitten werden, wie dies in Fig. 5 durch die ¯strichlierten Linien 12 angedeutet ist.
Die vorstehend beschriebenen druckempfindlichen Widerstände ermöglichen auf einfache Weise die Lösung verschiedener Mess-, Regel- und Schaltprobleme. Neben der Verwendung als Widerstandsgeber bei elektrischen Druck- und Druckkraftmessungen können sie auch zur Messung von Beschleunigungen und Vibrationen herangezogen werden. Widerstände mit einem folienförmigen Träger aus einem Elastomer sind verhältnismässig hoch belastbar, so dass sich der Widerstand in einem sehr weiten Bereich ändern kann. Die einfachste Anwendung des druckempfindlichen Widerstandes ist die Ermittlung einer Druckdifferenz. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrug der Ohmsche Widerstand eines Widerstandselementes, dessen 1 cm2 grosse Elektrodenfläche mit 1 kp belastet war, 2000 Q. Bei Belastung mit 10 kp betrug der Widerstand 200 Q.
Die Widerstands änderungen können mit heute bestens bekannten, einfachen Mitteln gemessen werden.
Dank der grossen Druckempfindlichkeit können aus solchen Widerständen auch Mikrophone hergestellt werden, wobei der Widerstand zweckmässig die Form einer Membrane erhält. Ferner können solche oder ähnliche druckempfindliche Widerstände auch als Schaltelemente verwendet werden, um einen Verbraucher direkt zu schalten. Die hierzu benötigten Hilfsmittel sind gering und können beliebig klein gehalten werden.