CH638045A5

CH638045A5 - Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione impiegante un estensimetro a resistori.

Info

Publication number: CH638045A5
Application number: CH902379A
Authority: CH
Inventors: Maria Prudenziati
Original assignee: Magneti Marelli Spa
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-10-08
Publication date: 1983-08-31
Also published as: FR2438829B1; DE2940441A1; ES484967A0; ES492940A0; GB2036424B; PT70292A; US4311980A; ES8103375A1; ES8206025A1; GB2036424A; FR2438829A1; NL7907294A

Description

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo misuratore di una forza o di una pressione comprendente un substrato deformabile sottoposto alla forza o pressione da misurare sul quale è applicato un estensimetro a resistori ed un circuito elettrico in grado di rilevare le variazioni di resistenza dei resistori in funzione della deformazione del sub-5 strato. •

Nei suddetti dispositivi la deformazione provocata da una pressione o forza applicata sul substrato dà luogo ad una variazione delle dimensioni dei resistori e delle loro proprietà elettriche e di conseguenza della loro resistenza.

io Tale variazione è rilevata da un circuito elettrico od elettronico al quale i resistori sono connessi, in modo da ottenere dei segnali proporzionali alla deformazione del substrato e quindi alla pressione applicata su di esso.

I dispositivi attualmente impiegati per la misura di pres-J5 sioni o deformazioni utilizzano come estensimetri fili metallici, film metallici continui, film metallici discontinui, cer-met e semiconduttori.

L'effetto della variazione di resistenza elettrica dei suddetti elementi a seguito di una deformazione, è noto sotto il 20 nome di elastoresistenza o piezoresistenza.

Un estensimetro ideale dovrebbe ovviamente avere un effetto piezoresistivo rilevante associato ad un basso effetto termoresistivo. Più precisamente, dovrebbe presentare, per il primo effetto (sensibilità alla deformazione) un elevato 25 R-Ro fattore di Gauge GF = (dove Ro e R rappresentano s Ro rispettivamente la resistenza del resistere non deformato e

Al

30 deformato ed s = la dilatazione relativa dell'elemento

1

stesso) e per il secondo effetto (stabilità in temperatura) bassi valori sia del coefficiente di temperatura del resistore

AR AR

35 TCR = (dove è la variazione relativa di resi-

RAT R

stenza per una variazione di temperatura AT) che del coeffi-

AGF

ciente di temperatura del fattore di Gauge TCCF =

40 GFAT

AGF

(dove è la variazione relativa di GF per una varia-

GF

zione di temperatura AT).

45 Le prestazioni degli estensimetri noti sono in generale fortemente dipendenti dalla struttura e composizione dei resistori impiegati.

Nella tabella che segue sono riportati, con riferimento agli estensimetri tradizionali del tipo dianzi menzionati, i vaso lori dei coefficienti più significativi:

TABELLA

Elementi

GF

TCR ppm/°C

TCGF ppm/°C

Stabilità in tempo

Fili metallici 2-^ 5 20 4000 20 100 ottima

Film metallici continui 2^ 5 20 4000 20 100 buona

Film metallici discontinui 100 1000 — pessima

Cermet 100 1000 — scarsa

Semiconduttori 40 175 400 9000 200 5000 buona

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L'analisi comparativa delle prestazioni mostra che i film metallici discontinui ed i cermet non possono trovare ampi settori di applicazione a causa della insufficiente stabilità delle caratteristiche elettriche e piezoresistive nel tempo. I fili ed i film metallici continui trovano impiego in quei casi in cui la sensibilità alla deformazione (GF) non è un requisito critico ma è essenziale un buon comportamento termico (bassi TCR e TCGF) mentre i semiconduttori trovano impiego per la loro elevata sensibilità alla deformazione anche se, a causa dell'elevato valore del TCR e TCGF, è spesso necessario ricorrere a sofisticate e costose tecniche di compensazione dell'effetto termico.

Un'ulteriore difficoltà di impiego degli estensimetri a film metallico ed a semiconduttore è la difficoltà di trovare un buon accoppiamento fra il substrato e l'estensimetro: entrambi infatti dovrebbero avere lo stesso coefficiente di dilatazione lineare termico onde evitare l'insorgere di deformazioni apparenti (non legate alla presenza di deformazioni meccaniche) causate dalle dilatazioni indotte da variazioni di temperatura quando substrato ed estensimetro sono caratterizzati da diversi coefficienti di dilatazione termica.

Scopo della presente invenzione è di provvedere un dispositivo misuratore di una forza o di una pressione in cui l'estensimetro a resistori presenti un'elevata sensibilità alla deformazione, un'ottima stabilità in temperatura ed un perfetto adattamento termico e meccanico tra resistori e substrato.

Secondo l'invenzione i suddetti scopi sono raggiunti con l'impiego di un dispositivo misuratore, la caratteristica principale del quale risiede nel fatto che l'estensimetro è formato da resistori a film spesso.

L'invenzione verrà ora illustrata, a solo titolo di esempio, con riferimento al disegno allegato in cui:

la fig. 1 mostra in prospettiva una prima forma di applicazione dell'estensimetro a resistori secondo l'invenzione;

la fig. 2 mostra in sezione una seconda forma di applicazione dell'estensimetro secondo l'invenzione;

la fig. 3 è una vista in pianta dell'estensimetro di fig. 2;

la fig. 4 mostra il circuito elettrico (ponte di Wheatstone) per il rilevamento della pressione applicata sul substrato, e la fig. 5 mostra una variante di fig. 2.

Con riferimento alla fig. 1, è indicato con 1 un adatto substrato, ad esempio di tipo ceramico, vincolato da un lato, sul quale all'estremità libera, è applicata una forza F di cui si vuol conoscere l'entità.

Secondo l'invenzione, l'estensimetro a resistori applicato su tale substrato è costituito dai resistori a film spessi Rj, Rs e R2, R4 che sono depositati sui due lati opposti del substrato in prossimità del vincolo. Tali resistori possono essere depositati con la tecnica serigrafica, cioè mediante stampa e cottura.

Si osserva che i resistori Rj e R3 sono applicati sulla superficie superiore del substrato, mentre i resistori R2 e R4 sono depositati sulla superficie inferiore (non visibile) in corrispondenza di Rj e R3.

Per effetto dell'applicazione della forza F il substrato subiscile una deformazione (flessione) verso il basso, deformazione che è trasmessa ai resistori Rj, R3 e R2, R4 che variano in conseguenza la loro resistenza.

In particolare, aumenta la resistenza dei resistori Rj e R3 in quanto in tensione, mentre diminuisce la resistenza dei resistori R2 e R4 in quanto in compressione.

Per rilevare la variazione di resistenza dei resistori a seguito della deformazione e risalire quindi al valore della forza F che l'ha provocata, i suddetti resistori Rj R3 e R, e R4 sono collegati in un ponte di Wheatstone, come indicato in fig. 4.

I resistori soggetti allo stesso tipo di deformazione sono inseriti nei rami contrapposti del ponte e le relative frecce, verso l'alto o verso il basso, indicano la variazione di resistenza, in aumento od in diminuzione, dei resistori stessi.

La resistenza dei resistori Rt, R3 e R2, R4 è uguale, per cui in mancanza di deformazione del substrato 1 (F=0) il ponte è bilanciato e nessun segnale è presente all'uscita Vu, mentre è applicata una tensione all'ingresso Vi.

Ovviamente, a seguito di una forza applicata sul substrato 1 (FijtO) esso s'inflette, il ponte si sbilancia ed all'uscita Vu è presente un segnale che è proporzionale alla variazione della resistenza dei resistori ed in definitiva alla deformazione del substrato 1, ovvero al valore della forza F.

Si è considerata una trave vincolata da un lato, ma è ovvio che quanto sopra rimane valido anche nel caso di una trave vincolata da ambedue i lati e soggetta ad una forza applicata nella zona centrale.

Nella variante di figg. 2 e 3 il substrato presenta la forma di una membrana circolare 1' vincolata lungo tutto il bordo e la forza F' è applicata al centro. Anziché ad una forza concentrata la membrana può essere sottoposta ad una forza distribuita su tutta la sua superficie, cioè ad una pressione. In detta variante, i resistori R'j e R'3 sono applicati al centro della membrana e sono in tensione, mentre i resistori R'2 e R'4 sono applicati pure sullo stesso lato ma alla periferia della membrana e sono soggetti a compressione.

La disposizione periferica di R'2 e R'4 può essere qualunque, ad es. a 90° come indicato in fig. 3.

I resistori R'2, R'4 potrebbero essere disposti sull'altra faccia del substrato 1', al centro, in corrispondenza dei resistori R'j e R'3, come indicato nella fig .5.

In relazione al senso di applicazione della forza F'i la resistenza dei resistori R'j, R's e R'2, R'4 varia come quella dei corrispondenti resistori R1; R3 e R2, R4 di fig. 1.

Sia nel caso della struttura di fig. 1 che delle figg. 2 e 5, è chiaro che il numero e la disposizione dei resistori può variare al fine di massimizzare la sensibilità alla deformazione. Così, i resistori vanno collocati nei punti di deformazione massima del substrato.

Tuttavia, nel caso di membrana fissata al bordo, può essere vantaggioso collocare tutti i resistori nella zona centrale, come indicato nella fig. 5, al fine di ottenere la massima sensibilità del sistema anche nel caso che la membrana non sia perfettamente vincolata al bordo.

Nella precedente trattazione ci si è riferiti alle forze F e F' applicate da un lato sui substrati 1 e 1', ma è chiaro che queste forze possono essere la risultante di forze opposte applicate ai due lati del substrato, nel qual caso il segnale fornito dal ponte di Wheatstone si riferisce a pressioni o forze differenziate.

I sensori di deformazione e pressione mostrati nelle fig. 1, 2 e 5 comportano un miglioramento della tecnologia di fabbricazione dei sensori di questo tipo.

La parte attiva cioè l'elemento estensimetrico è costituita, come detto, da resistori a strato depositato per serigrafia su substrati isolanti e trattati termicamente secondo i metodi tradizionali dei resistori a strato per la microelettronica di circuiti ibridi. Le paste serigrafabili che realizzano resistori a film spesso con adeguate sensibilità alla deformazione sono numerose.

Esse sono generalmente costituite da un componente dielettrico e da un componente conduttivo. Il componente o matrice dielettrica può essere costituito da un vetro del tipo borosilicato, piomboborosilicato, aluminosilicato o piombo silicato con eventuali piccole aggiunte di ossidi del tipo CdO, Ga203, A120,, ecc.

II componente conduttivo può essere un metallo nobile (Ag, Au, Pd) o un suo ossido o miscela del medesimo (ad

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io

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es. PdO, PdO/Ag) o un ossido conduttore di metallo non nobile (tipo Ru02, Bì2Ru207, Rb2Ru206, T102, Ir02, ecc.).

Si sono misurate le proprietà piezoresistive di resistori realizzati con pasta di diversa formulazione e si è trovato che minore è la concentrazione di conduttore nella pasta maggiore è la resistività del resistore ed il fattore di Gauge dell'estensimetro realizzato.

I resistori a film spesso presentano buoni fattori di Gauge, ad es. GF 1015, bassi coefficienti di temperatura della resistenza TCR < 30 200 ppm:°C e bassi coefficienti di temperatura del fattore di Gauge: TCGF < 100 400 ppm/°C con un'ottima stabilità e resistenza alla fatica per numerosi cicli di deformazione.

La sensibilità alla deformazione (GF) risulta quindi intermedia fra quella degli estensimetri a fili metallici che è la più bassa e quella degli estensimetri a semiconduttori che è la più alta.

Inoltre, la stabilità in temperatura (TCR, TCGF) è confrontabile con quella dei fili metallici che sono i più stabili e decisamente migliore di quella dei semiconduttori.

Un vantaggio dell'impiego dei resistori serigrafati è che essi presentano un valore del fatto di Gauge positivo se vengono sottoposti a deformazioni trasversali e longitudinali rispetto alla direzione del resistore. Ne segue che i resistori depositati al centro della membrana in un misuratore di pressione a membrana (figg. 2, 5) e quindi sottoposti contemporaneamente a deformazione trasversale e longitudinale raddoppiano la loro sensibilità alla deformazione.

Gli estensimetri possono essere realizzati depositando i resistori su diversi substrati con differenti proprietà meccaniche. Diverse ceramiche fra cui allumina, ossido di berillio, ossido di zirconio come pure fogli di metallo smaltato si prestano bene allo scopo.

Si riportano qui di seguito alcuni esempi di prestazioni dei misuratori di deformazione e pressione.

Applicando alla struttura a trave di fig 1 una forza tale da provocare nei quattro resistori collegati a ponte una deformazione massima pari a 2000 (imm/mm si ottiene un segnale di uscita in Vu di 25 -j- 30 mV/V con resistori a base di vetro borosilicato e Bi2Ru20,, aventi una resistività di strato di 10 KQ/Q. Applicando nella struttura a membrana di figg. 2 e 5 una pressione tale da indurre ai bordi della membrana stessa una deformazione di 2000 p,mm/mm si ottiene con quattro resistori collegati a ponte, un segnale di uscita pari a 25-30 mV/V con resistori a base di vetro borosilicato e Bi2Ru207, aventi una resistività di strato di 10 Kß/Q. I vantaggi più importanti della realizzazione dei sensori di de-5 formazione e pressione secondo il presente ritrovato possono essere riassunti nelle seguenti osservazioni.

Non è richiesto alcun agente di incollaggio fra l'elemento estensimetrico e la trave o membrana in quanto il resistore piezoresistivo è realizzato direttamente per deposizione seri-io grafica sul substrato che opera da trave o membrana.

Si realizza inoltre un adeguato adattamento dei coefficienti di dilatazione dei substrati e dei resistori serigrafati.

Si ha pure la possibilità di correggere valori delle resistenze dei resistori serigrafati (o di eventuali resistori di com-ìs pensazione ottenuti con la stessa tecnica e non sottoposti a deformazione posti in parallelo od in serie ad una dei rami del ponte) tramite trimmer a laser o a sabbia al fine di assicurare una tensione di uscita nulla dal ponte di Wheatstone in assenza di deformazione o pressione sul substrato. 20 Sono facilmente ottenibili segnali di uscita dal ponte < 100 [iV/V a deformazione nulla.

Esiste infine la possibilità di realizzare ponti con impedenze di ingresso ed uscita con ampio intervallo di valori scegliendo opportunamente la geometria e la resistività di 25 strato dei resistori.

La tecnologia di realizza ziont degli estensimetri, analoga a quella dei circuiti ibridi per la microelettronica, è abbastanza semplice ed a basso costo e quindi adatta alla produzione su larga scala.

3o H dispositivo misuratore di pressione dianzi descritto trova naturalmente applicazione in tutti i casi in cui è richiesto un sensore di deformazione di elevata sensibilità e di ottima stabilità alla temperatura.

Pertanto, può trovare vantaggiosa applicazione nel cam-35 po automobilistico per il controllo dell'iniezione, accensione, anticipo' e per controlli idraulici.

Ci si è riferiti al dispositivo misuratore di pressione, ma è ovvio che l'invenzione si riferisce pure all'estensimetro in sè, impiegante resistori a film spesso per la misura ed il con-40 trollo di grandezze fisiche quali la deformazione, pressione, forza, momento di torsione ecc.

Varianti alle soluzioni illustrate sono ovviamento possibili a seconda delle pratiche esigenze senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione.

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1 foglio disegni

Claims

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1. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione, del tipo comprendente un substrato deformabile sottoposto alla forza o pressione da misurare e sul quale è applicato un estensimetro a resistori, ed un circuito elettrico in grado di rilevare le variazioni di resistenza dei resistori. in funzione della deformazione del substrato, caratterizzato dal fatto che l'estensimetro è formato da resistori a film spesso.

2. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i resistori a film spesso sono applicati su una od entrambe le superficie del substrato.

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RIVENDICAZIONI

3. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il substrato (1) ha la forma di una trave vincolata e che una coppia di resistori è applicata su una faccia del substrato in prossimità del vincolo ed un'altra coppia è applicata sull'altra faccia in posizione contrapposta (fig. 1).

4. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il substrato ha la forma di una membrana vincolata al bordo e che una coppia di resistori è applicata su una faccia del substrato in corrispondenza della zona centrale, mentre i resistori di un'altra coppia sono disposti lungo il bordo della membrana ,figg. 2 e 3).

5. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il substrato ha la forma di una membrana vincolata al bordo e che una coppia di resistori è applicata su una faccia del substrato in corrispondenza della zona centrale ed un'altra coppia è applicata in posizione contrapposta sull'altra faccia del substrato (fig. 5).

6. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione secondo una delle rivendicazioni 3, 4, 5, caratterizzato dal fatto che i resistori a film spesso contengono come costituenti fondamentali uno o più dei seguenti elementi: Ru02, Ir02, T102, Bì2Ru20„ Pb2Ru207, Au, Pt, Pd e loro leghe in matrice dielettrica quale vetroborosilicato, alumino-silicati, piom-boborosilicati, piombosilicati.

7. Dispositivo misuratore di una forza o di una pressione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il substrato è di tipo ceramico, particolarmente a base di ossido di allumino, berillio, zirconio o metalli smaltati.