CH702064B1

CH702064B1 - Apparatus for measuring small and large forces.

Info

Publication number: CH702064B1
Application number: CH15082010A
Authority: CH
Inventors: Gerd Jäger
Original assignee: Sios Messtechnik Gmbh
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2014-07-31
Also published as: CH702064A2; DE102010025633B4; DE102010025633A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Messung einer Kraft (F) mit einem Verformungskörper. Erfindungsgemäss ist eine dünne Siliziummessplatte (4), die vier piezoresistive Widerstände (4.1; 4.2; 4.3; 4.4) enthält, mit einem Siliziumverformungskörper (2), bestehend zwei Siliziumverformungsteilkörpern (2.1, 2.2), fest verbunden, wobei die Siliziumverformungsteilkörper (2.1, 2.2) ihrerseits miteinander fest verbunden sind.The invention relates to a device (1) for measuring a force (F) with a deformation body. According to the invention, a thin silicon measuring plate (4), which contains four piezoresistive resistors (4.1; 4.2; 4.3; 4.4), is rigidly connected to a silicon deformation body (2) comprising two silicon deformation partial bodies (2.1, 2.2), wherein the silicon deformation partial bodies (2.1, 2.2 ) are in turn firmly connected to each other.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung kleiner und grosser Kräfte gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device for measuring small and large forces according to the preamble of claim 1.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen zur Kraftmessung bekannt. Various arrangements for measuring force are known from the prior art.

[0003] Entsprechend dem Stand der Technik werden metallische Verformungskörper mit aufgeklebten oder gesputterten Dehnungsmessstreifen verwendet. Aufgrund der elastischen Nachwirkungen von metallischen Verformungskörpern und der Dehnungsmessstreifen sind Präzisionskraftmesswandler serienmässig nicht herstellbar. Ein weiterer Nachteil der aufgeklebten oder gesputterten metallischen Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass nur so genannte K-Faktoren von ca. 2 erreicht werden. Daraus folgt, dass nur geringe Messempfindlichkeiten gemessen in mV/V erzielt werden können. According to the prior art metallic deformation body with glued or sputtered strain gauges are used. Due to the elastic after-effects of metallic deformation bodies and the strain gages, precision force transducers can not be mass-produced. Another disadvantage of glued or sputtered metallic strain gages is that only so-called K factors of about 2 are achieved. It follows that only small measuring sensitivities measured in mV / V can be achieved.

[0004] Die Druckschriften K.W. Bonfig et al.: Technische Druck- und Kraftmessung; Expert Verlag, 1998, ISBN 3-8169-0315-0 und Wolfgang Weiler: Handbuch der physikalisch-technischen Kraftmessung, Verlag Vieweg 1992, beschreiben derartige Vorrichtungen im Stand der Technik. The documents K.W. Bonfig et al .: technical pressure and force measurement; Expert Verlag, 1998, ISBN 3-8169-0315-0 and Wolfgang Weiler: Handbook of physical-technical force measurement, Verlag Vieweg 1992, describe such devices in the art.

[0005] Es ist auch bekannt, Siliziumverformungskörper mit aufgesputterten Dehnungsmessstreifen zu verwenden. Obwohl mit dieser Anordnung sehr geringe elastische Nachwirkungen erreicht werden können, ergeben sich eine Reihe von Nachteilen: Die aufgesputterten Dehnungsmessstreifen weisen mit K = 2 auch eine geringe Messempfindlichkeit auf. Weiterhin sind die Kraftmessbereiche wenig variierbar. It is also known to use Siliziumverformungskörper with sputtered strain gauges. Although very small elastic after-effects can be achieved with this arrangement, there are a number of disadvantages: The sputtered strain gauges have a low measuring sensitivity with K = 2. Furthermore, the force measuring ranges are little variable.

[0006] Solche Siliziumverformungskörper sind in der Druckschrift S. Mäuselein et al.: Investigations of load cells made of singe-crystalline Silicon with sputtered-on strain gauges; IMEKO, 20th TC3 International Conference Merida, Mexiko, 27–30 November 2007, beschrieben. Such silicon deformation bodies are described in the document S. Mäuselein et al.: Investigations of load cells made of singe-crystalline silicone with sputtered-on strain gauges; IMEKO, 20th TC3 International Conference Merida, Mexico, 27-30 November 2007.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Kraftmessung anzugeben, mit der sowohl kleine als auch grosse Kräfte gemessen werden können, und mit der die im Stand der Technik angegebenen Nachteile überwunden werden. The invention is based on the object to provide a device for measuring force, with both small and large forces can be measured, and with which the disadvantages indicated in the prior art are overcome.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. The object is achieved by a device having the features specified in claim 1.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the independent claims.

[0010] Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Messung von Kräften mit einem Verformungskörper ist eine dünne Siliziummessplatte, die vier piezoresistive Widerstände enthält, mit einem Siliziumverformungskörper, bestehend aus zwei Siliziumverformungsteilkörpern, fest verbunden, wobei die Siliziumverformungsteilkörper ihrerseits miteinander fest verbunden sind. In the inventive device for measuring forces with a deformation body, a thin silicon measuring plate containing four piezoresistive resistors, with a Siliziumverformungskörper, consisting of two Siliziumverformungteilkörpern, firmly connected, wherein the Siliziumverformung part bodies are in turn firmly connected to each other.

[0011] Der Vorteil der Verbindung der Siliziumverformungsteilkörper nach der Bearbeitung besteht darin, dass mehrere Siliziumverformungsteilkörper in einem Bearbeitungsgang hergestellt werden können, was eine effektive und kostengünstige Fertigung erlaubt. Weitere entscheidende Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtungen ergeben sich aus dem grossen K-Faktor der piezoresistiven Widerstände (K ≈ 85) und der somit hohen Messempfindlichkeit gemessen in mV/V. Somit sind sehr genaue Messergebnisse erzielbar. The advantage of the compound of the silicon deformation partial body after machining is that a plurality of silicon deformation partial body can be produced in one machining operation, which allows an effective and cost-effective production. Further decisive advantages of the devices according to the invention result from the large K-factor of the piezoresistive resistances (K≈85) and the thus high measuring sensitivity measured in mV / V. Thus, very accurate measurement results can be achieved.

[0012] Die Siliziummessplatte kann kostengünstig unter Ausnutzung moderner Halbleitertechnologien aus Siliziumwafern hergestellt werden. The silicon measuring plate can be produced cost-effectively by utilizing modern semiconductor technologies made of silicon wafers.

[0013] Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Siliziumverformungsteilkörper jeweils symmetrische Ausarbeitungen besitzen. An advantageous embodiment provides that the silicon deformation part body each have symmetrical elaborations.

[0014] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Siliziumverformungsteilkörper durch Diffussionsschweissen oder anodisches Bonden verbunden. In an advantageous embodiment, the two silicon partial deformation body are connected by diffusion welding or anodic bonding.

[0015] Diese herkömmlichen Verbindungstechnologien sind Stand der Technik und prozesssicher mit einer geringen Ausschussquote anwendbar. These conventional connection technologies are state of the art and process reliable with a low reject rate applicable.

[0016] Die Siliziummessplatte ist an einem ersten Siliziumverformungsteilkörper angeordnet. The silicon measuring plate is arranged on a first Siliziumverformung part body.

[0017] Ein zweiter Siliziumverformungsteilkörper, an dem die Siliziummessplatte nicht angeordnet ist, ist an einem Ende fest mit einem Gestell verbunden und am anderen Ende greift an einer Kontaktfläche die zu messende Kraft an. A second Siliziumverformung part body on which the silicon measuring plate is not arranged, is connected at one end fixed to a frame and at the other end engages the contact surface to be measured force.

[0018] Dadurch werden Kerbspannungen nicht auf die Siliziummessplatte übertragen. As a result, notch stresses are not transmitted to the silicon measuring plate.

[0019] Da sowohl die Messplatte als auch die Teilverformungskörper aus Silizium bestehen, ergeben sich bei Temperaturänderungen keine mechanischen Störspannungen durch eine unterschiedliche Ausdehnung und die hervorragenden messtechnischen Eigenschaften des Materials Silizium können genutzt werden, was wiederum zu sehr genauen Messergebnissen führt. Since both the measuring plate and the partial deformation body made of silicon, there are no mechanical interference voltages due to a different expansion and the excellent metrological properties of the material silicon can be used with temperature changes, which in turn leads to very accurate measurement results.

[0020] Besonders vorteilhafterweise sind die piezoresistiven Widerstände über den Aussparungen der Siliziumverformungsteilkörper angeordnet. Particularly advantageously, the piezoresistive resistors are arranged over the recesses of the silicon deformation part body.

[0021] Dadurch, dass die Siliziummessplatte auf beliebig gestaltete Siliziumverformungskörper aufgebracht werden kann, können die Kraftmessbereiche in weiten Grenzen verändert werden, wodurch beispielsweise Kraftmessbereiche von wenigen Gramm bis zu einigen hundert Kilogramm ermöglicht sind. Characterized in that the silicon measuring plate can be applied to any desired shaped Siliziumverformungskörper, the force measuring ranges can be varied within wide limits, which, for example, force measuring ranges of a few grams to a few hundred kilograms are possible.

[0022] Eine hohe Messempfindlichkeit und die weitere Eliminierung von Fehlereinflüssen gelingen dadurch, dass in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die piezoresistiven Widerstände zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind. A high measuring sensitivity and the further elimination of error influences succeed in that in a particularly advantageous embodiment, the piezoresistive resistors are connected to form a Wheatstone bridge.

[0023] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to drawings.

[0024] Darin zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung, <tb>Fig. 2<SEP>eine perspektivische Darstellung eines ersten Siliziumverformungsteilkörpers, <tb>Fig. 3<SEP>eine perspektivische Darstellung eines zweiten Siliziumverformungsteilkörpers, <tb>Fig. 4<SEP>eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante der Vorrichtung und <tb>Fig. 5<SEP>eine perspektivische Darstellung einer Siliziummessplatte mit piezoresistiven Widerständen.[0024] FIG. <Tb> FIG. 1 <SEP> is a perspective view of the device, <Tb> FIG. 2 <SEP> is a perspective view of a first silicon deformation partial body, <Tb> FIG. 3 <SEP> is a perspective view of a second silicon deformation partial body, <Tb> FIG. 4 <SEP> is a perspective view of an embodiment of the device and <Tb> FIG. 5 <SEP> a perspective view of a silicon measuring plate with piezoresistive resistors.

[0025] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

[0026] Fig. 1 zeigt die Gesamtanordnung einer als Kraftmesseinrichtung ausgebildeten erfindungsgemässen Vorrichtung 1. Ein Siliziumverformungskörper 2 besteht aus den Siliziumverformungsteilkörpern 2.1 und 2.2. Die Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 besitzen Ausarbeitungen, so dass Aussparungen 5 entstehen. Die Aussparungen 5 sind derart ausgebildet, dass eine Materialstärke der Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 im Bereich der Aussparungen 5 im Vergleich zur Materialstärke im übrigen Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 verringert ist. Die an den Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 angebrachten Aussparungen 5 sind symmetrisch zur Berührungsfläche der Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 angeordnet. Vorteilhafterweise weisen die Aussparungen 5 jeweils zwei Endbereiche 5.1 auf, zwischen denen sich ein Zwischenbereich 5.2 geringerer Tiefe befindet. 1 shows the overall arrangement of a device 1 designed as a force measuring device according to the invention. A silicon deformation body 2 consists of the silicon deformation partial bodies 2.1 and 2.2. The silicon deformation part body 2.1 and 2.2 have elaborations, so that recesses 5 arise. The recesses 5 are formed in such a way that a material thickness of the silicon deformation partial bodies 2.1 and 2.2 in the region of the recesses 5 is reduced in comparison to the material thickness in the remaining silicon deformation partial body 2.1 and 2.2. The recesses 5 attached to the silicon deformation part body 2.1 and 2.2 are arranged symmetrically to the contact surface of the silicon deformation part body 2.1 and 2.2. Advantageously, the recesses 5 each have two end regions 5.1, between which there is an intermediate region 5.2 of lesser depth.

[0027] In der Fig. 1 sind die Aussparungen 5 als rechteckige Ausarbeitungen in den Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 dargestellt, aber die Aussparungen 5 können beispielsweise auch als runde Ausarbeitungen realisiert werden. In Fig. 1, the recesses 5 are shown as rectangular elaborations in the silicon deformation part body 2.1 and 2.2, but the recesses 5 can be realized, for example, as round elaborations.

[0028] Eine Siliziummessplatte 4 mit den integrierten piezoresistiven Widerständen 4.1; 4.2; 4.3 und 4.4 ist fest mit dem Siliziumverformungsteilkörper 2.1 verbunden, wobei die piezoresistiven Widerstände 4.1; 4.2; 4.3 und 4.4 direkt über den Aussparungen 5 angeordnet sind. Da die piezoresistiven Widerstände 4.1 und 4.2 ein umgekehrtes Spannungsvorzeichen gegenüber den piezoresistiven Widerständen 4.3 und 4.4 aufweisen und somit unterschiedlich auf Dehnung und Stauchung beansprucht werden, lässt sich eine Wheatstonesche Vollbrücke leicht realisieren. A silicon measuring plate 4 with the integrated piezoresistive resistors 4.1; 4.2; 4.3 and 4.4 is firmly connected to the silicon deformation part body 2.1, wherein the piezoresistive resistors 4.1; 4.2; 4.3 and 4.4 are arranged directly above the recesses 5. Since the piezoresistive resistors 4.1 and 4.2 have a reversed voltage sign in relation to the piezoresistive resistors 4.3 and 4.4 and thus are subjected differently to stretching and compression, a Wheatstone full bridge can be easily realized.

[0029] Die Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 werden nach der Herstellung derart übereinander angeordnet, dass die Ausarbeitungen in den Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 einander zugewandt sind und die Aussparung 5 der Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 nach aussen weisen. Die Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 sind fest miteinander verbunden, beispielsweise mittels Diffussionsschweissen oder anodischem Bonden. Der Siliziumverformungsteilkörper 2.2 ist an einem Ende fest mit dem Gestell 3 verbunden. Die Messkraft F greift an der dem Gestell 3 abgewandten Seite des Siliziumverformungsteilkörpers 2.2 an der Kontaktfläche 6 an. The silicon deformation part body 2.1 and 2.2 are arranged one above the other after production so that the elaborations in the silicon deformation part body 2.1 and 2.2 face each other and the recess 5 of the silicon deformation part body 2.1 and 2.2 have to the outside. The silicon deformation part bodies 2.1 and 2.2 are firmly connected to each other, for example by means of diffusion welding or anodic bonding. The silicon deformation part body 2.2 is fixedly connected to the frame 3 at one end. The measuring force F engages on the side facing away from the frame 3 of the silicon deformation part body 2.2 at the contact surface 6.

[0030] Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Siliziumverformungsteilkörpers 2.2 mit den Aussparungen 5. FIG. 2 shows a perspective view of the silicon deformation partial body 2.2 with the recesses 5.

[0031] Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung des Siliziumverformungsteilkörpers 2.1 mit den Aussparungen 5. FIG. 3 shows a perspective view of the silicon deformation partial body 2.1 with the recesses 5.

[0032] In den Fig. 2 und 3 ist veranschaulicht, dass die Ausarbeitungen, durch welche die Aussparungen 5 in den Siliziumverformungsteilkörpern 2.1 und 2.2 gebildet sind, vorzugsweise symmetrisch hergestellt sind. Somit können vorteilhafterweise mehrere Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 gemeinsam bearbeitet und hergestellt werden. 2 and 3 illustrates that the elaborations by which the recesses 5 are formed in the Siliziumverformung part bodies 2.1 and 2.2, preferably made symmetrical. Thus, advantageously, a plurality of silicon deformation partial bodies 2.1 and 2.2 can be jointly processed and manufactured.

[0033] Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante der Vorrichtung 1 zur Gestaltung der Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2. Im Unterschied zu den vorherigen Figuren ist nur eine Aussparung 5 über den gesamten Biegebereich der Siliziumverformungsteilkörper 2.1 und 2.2 angeordnet. Fig. 4 shows a perspective view of a variant of the device 1 for the design of the silicon deformation part body 2.1 and 2.2. In contrast to the previous figures, only one recess 5 is arranged over the entire bending region of the silicon deformation partial bodies 2.1 and 2.2.

[0034] Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der Siliziummessplatte 4. Die Siliziummessplatte 4 mit den integrierten piezoresistiven Widerständen 4.1; 4.2; 4.3 und 4.4 wird nach der Dotierung aus nicht dargestellten Wafern herausgeschnitten. Somit ist eine Höhe h der Siliziummessplatte 4 gleich der Waferdicke. Vorteilhafterweise können mehrere Siliziummessplatten 4 aus einem Wafer herausgeschnitten werden. Fig. 5 shows a perspective view of the silicon measuring plate 4. The silicon measuring plate 4 with the integrated piezoresistive resistors 4.1; 4.2; 4.3 and 4.4 are cut out of unrepresented wafers after doping. Thus, a height h of the silicon measuring plate 4 is equal to the wafer thickness. Advantageously, a plurality of silicon measuring plates 4 can be cut out of a wafer.

BezugszeichenlistenReference numeral lists

[0035] <tb>1<SEP>Vorrichtung <tb>2<SEP>Siliziumverformungskörper <tb>2.1<SEP>erster Siliziumverformungsteilkörper <tb>2.2<SEP>zweiter Siliziumverformungsteilkörper <tb>3<SEP>Gestell <tb>4<SEP>Siliziummessplatte <tb>4.1 … 4.4<SEP>piezoresistive Widerstände <tb>5<SEP>Aussparung <tb>5.1<SEP>Endbereich der Aussparung <tb>5.2<SEP>Zwischenbereich der Aussparung <tb>6<SEP>Kontaktfläche <tb>F<SEP>Kraft <tb>h<SEP>Höhe[0035] <Tb> 1 <September> Device <Tb> 2 <September> silicon deformation body <tb> 2.1 <SEP> first silicon deformation partial body <tb> 2.2 <SEP> second silicon deformation partial body <Tb> 3 <September> frame <Tb> 4 <September> silicon measuring plate <tb> 4.1 ... 4.4 <SEP> piezoresistive resistors <Tb> 5 <September> recess <tb> 5.1 <SEP> End area of the recess <tb> 5.2 <SEP> Intermediate area of the recess <Tb> 6 <September> contact surface <Tb> F <September> force <Tb> h <September> Height

Claims

1. A device (1) for measuring a force (F) with a deformation body, characterized in that a thin silicon measuring plate (4), which contains four piezoresistive resistors (4.1, 4.2, 4.3, 4.4), is provided with a silicon deformation body (2), consisting of two Siliziumverformung part bodies (2.1, 2.2), which are provided with recesses (5) is firmly connected, wherein the Siliziumverformung part body (2.1, 2.2) are in turn firmly connected to each other.

2. Device (1) according to claim 1, characterized in that the silicon deformation partial bodies (2.1, 2.2) mounted recesses (5) are arranged symmetrically to the contact surface of the silicon deformation part body (2.1, 2.2).

3. Device (1) according to claim 2, characterized in that the recesses (5) each have two end regions (5.1), between which there is an intermediate region (5.2) lesser depth.

4. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the silicon deformation part body (2.1, 2.2) are connected by diffusion welding or anodic bonding.

5. Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the silicon measuring plate (4) is arranged on a first of the silicon deformation part body (2.1) and a second of the silicon deformation part body (2.2) at one end fixed to a frame (3). is connected and at its end, the force F acts on a contact surface (6).

6. Device (1) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the piezoresistive resistors (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) are arranged over the end regions (5.1) of the recesses (5).