CN107873081A - 用于借助绝缘薄层以电方式进行力测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以电方式测量力F的装置，其至少在两个压紧的金属电极(1)和金属电极(3)之间作用，其特征在于，金属电极由硬质合金、钢或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的低欧姆金属层构成，具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻和小于等于400纳米的平均粗糙度R_a，金属电极在接触面处具有不依赖于力的传导能力，并且在等于、小于金属电极(1)和金属电极(3)的千分之0.1的范围内的最小相对变形的情况下，力直接作用到形状锁合地布置在金属电极(1)和金属电极(3)之间的绝缘薄层(2)上或多分层绝缘薄层(2)上，绝缘薄层或多分层绝缘薄层由氧化锌或随机还原的氧化铝Al₂O_x，其中x＝2.4至x＝2.8，或碳化硅或DLC层[类金刚石碳]构成，并且不依赖于待测量的力流地布置且在紧固元件(5)的恒定的保持力下固定的参考金属电极(4)通过具有正好相同的物理特性的结构相同的绝缘薄层(2)或多分层绝缘薄层(2)以电方式作用到金属电极(3)上，从而使得金属电极(3)和金属电极(4)之间的绝缘薄层在恒定的按压力下的这个参考电阻被用于对作为半桥或全桥的测量设施的完全的温度补偿，其中，在串联电路中的电流通路上，高精度的电源(6)的限定的电流经过金属电极(1)、经过绝缘薄层(2)流向金属电极(3)，经过绝缘薄层(2)流向金属电极(4)，从而经由绝缘薄层在金属电极(1)和金属电极(3)之间下降了依赖于力的电压(8)并且在参考的绝缘薄层(2)的金属电极(3)和金属电极(4)之间下降了参考电压(9)，它们的电压比不依赖于温度，其中，测量桥的产生的桥电压或直接测得的电压比不依赖于以电方式测量力的装置的运行温度地限定了针对作用力的连续的、高分辨率的并且能准确描述且能重复的函数。

Description

用于借助绝缘薄层以电方式进行力测量的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于以电方式测量建立在至少两个金属电极之间的力的方法和按照权利要求1的前序部分的装置，其中，至少一个绝缘薄层用作传感器元件，它的传导能力描述了作用的力的单义的(eindeutig)能准确反馈的函数。本发明普遍性地涉及测力技术领域，其中，根据本发明相对现有技术达到新型的应用多样性，其方法是，提供了力传感器的没有变形体的经简化的结构。在此，至少一个或多个均匀的绝缘薄层在机械的力传递元件的平坦面或自由成形面上的施装作为新型的设计特征，从而在电绝缘的力传递元件和金属电极之间能实现传感器结构，其直接且在这些元件没有值得注意的变形的情况下在给定的电流下产生形式为与力有关的电压变化的电信号，该电信号描述了用于在直接的机械和电的路径上作用的力的一对一的(eineindeutig)高分辨率的且连续的图。视所选择的绝缘薄层而定地，以及以微型化的结构形式，也就是说在低于用于在毫牛顿范围内力测量的一立方毫米的结构空间内以及此外在牛顿至兆牛顿范围内以任意大的宏观结构形式一次性通过这种工艺能提供具有高耐热性的传感器，其中，视测量任务而定地，具有所施装的绝缘薄层的机械的力传递元件的任意的几何造型实现了在结构空间、力作用方向和机械转化比方面的自由选择。例如通过自由选择内截锥体和外截锥体(在其外锥周侧面上施装有绝缘薄层)的锥体斜度，能自由地在设计上选择待达到的测量敏感度，其中，视几何造型而定地使拉力传感器或压力传感器变得可能。在力传感器的机械的和电的设计中的另一自由度是施装在力传递元件上的绝缘薄层或层系统的原料选择、结构和化学成分，其中，绝缘薄层的耐热性、测量敏感度视测量任务的要求而定地能自由选择。多个力传感器的微型化的以及更大的组合借助绝缘薄层在组合式传感器单元的实施方案中的设计也是可行的，以便例如无相互作用地在空间内检测在3个空间维度，即宽度(x分量)、高度(y分量)、深度(z分量)方面的力作用和力方向。

背景技术

通常由现有技术和已经在1920年公知的第一批公开文本充分公知了压阻效应。压阻效应描述了材料由于高的外部的力作用或压力作用导致的电阻变化。在所有轻微导电直至强烈导电的材料中都出现了这一效应，但半导体的压力敏感度相对于金属却高了很多倍。原则上确定的是，与由于外部的力作用导致的电阻变化相关的该压力敏感度可以得到提高，其方法是，在半导体中，单晶体的定向(这意味着电流方向)以及在载体材料中掺杂以杂质原子被有针对性地调整。例如非结晶的碳层的压阻效应也可观察到，其具有类似金刚石的格栅结构，如其在专利文献DE000019954164B4中描述的那样，其中可以确定的是，压阻效应的强度不仅在非结晶的碳层中可以通过有针对性的化学成分和格栅结构的造型影响，而且同样在其他的薄层或多分层式层系统，所谓的复合式层中(其例如可以是铝-钛-亚硝酸盐、铝-铬-亚硝酸盐、锆-氧化物-亚硝酸盐或铝-铬-亚硝酸盐-氧化物和许多其他的物质组合)，通过杂质原子或分子结构作为颗粒在纳米复合物载体层中的引入实现了压阻效应的高度加强。也就是说，电阻变化相对从外部机械作用的力或压力的大小的敏感度得到极为强烈的提高，这是因为根据材料组合和在半导体中引入的干扰部位，与压力相关地释放形式为离子和/或电子的附加的载流子。这种效应业已从1920年起就公知，但用于使用和制造层系统的技术进步和进一步研发带来了新型的材料组合和层系统，它们一方面能施装到不同的材料，如金属表面、陶瓷表面、玻璃表面或塑料表面上以及另一方面具有在电特性方面极为接近半导体的材料成分。但这些压阻层具有电阻的极为强烈的与温度相关的漂移，电阻作为相对的与温度相关的电阻变化在温度每提高一开尔文时处在-0.4％至约-1.2％的范围内，如同样在现有技术中描述的那样。这样的层和结构例如允许了在平坦的载体材料，例如玻璃上的离散的电子构件和电路的造型，如其在制造现代的纯平屏幕时所使用的那样。视载体和所施装的层系统的选择而定地，这种经覆层的表面的特征同样在于硬质合金之上的极高的机械强度，超过2千兆帕的抗压强度和在-100℃直至1200℃的范围内的耐热性。

附图说明

图1示出绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有用于温度补偿的参考绝缘薄层作为电的测量半桥。

图2示出绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有用于温度补偿的参考薄层作为电阻测量。

图3示出绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有在双重地实施为高度敏感的测量全桥时用于温度补偿的参考绝缘薄层。

图4示出用于同时检测两个力方向F_x和F_y的绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有用于温度补偿的参考绝缘薄层作为电的多通道的电阻测量。

图5示出N维的绝缘薄层力传感器的结构和测量电路，绝缘薄层力传感器具有n倍的测量电路和多通道的用于温度补偿的参考绝缘薄层；上方是2D绝缘层传感器分段的剖面图；下方是作为实施例的旋转的分段布置，其由n＝4x 2D传感器块和4x 2＝8条测量通道构成，以便与分量有关地测量力方向和其数值。

说明：

E1-1和E1-2：电极对Fy+Fx转动角0°；

E2-1和E2-2：电极对Fy+Fx转动角45°；

E3-1和E3-2：电极对Fy+Fx转动角90°；

E4-1和E4-2：电极对Fy+Fx转动角135°。

图6示出由01型的未经覆层的硬质合金电极和经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力-电阻特性曲线。

图7示出由03型的未经覆层的硬质合金电极和经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力-电阻特性曲线。

图8示出由01型的未经覆层的硬质合金电极和经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力-电阻特性曲线。

图9示出由两个未经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线，也就是说，在接触面之间的电阻处在+/-1mOhm的低毫欧姆范围内。

图10示出由两个未经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线，也就是说，在接触面之间的阻力处在+/-1mOhm的低毫欧姆范围内。

图11示出由两个不同粗糙度的经覆层的硬质合金电极(在未抛光的SiC_03上的经抛光的SiC_05)构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线。

图12示出由两个不同粗糙度的经覆层的硬质合金电极(在未抛光的SiC_03上的经抛光的SiC_05)构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线。

具体实施方式

根据本发明解决力的测量，如这作为实施例在图1中、A5页上，在图2中、A6页上以及在图3中、A7页上所示的那样，其方式是，在实施为彼此电绝缘的电极的至少两个机械的力传递元件(1和3)之间施装绝缘薄层(2)，该绝缘薄层的电阻是作用的力F的能单义反馈的函数，并且此外，参考金属电极(4)结构接近地布置在力流外部，该参考金属电极的支架在恒定的保持力下使电极(4)相对源电极(3)固定。因此可以构建测量半桥或测量全桥，其完全补偿测量设施的温度相关性，因此所产生的桥电压与环境温度无关地描述了在电极(1和3)之间的力作用的能单义反馈的函数。为此，至少两个电极(1和3)或共同的源电极(E_q或3)和它们的相邻的传感器电极(E_n)与电源(6)电连接，从而受调节的电源(6)的给定的且已知的电流I_q，其借助电流测量仪(7)作为电流I测量，从而通过绝缘薄层在多维的传感器中导致了电压降U或U_n，其借助电压测量仪(8)被高分辨率地测得以及相对一个或多个参考测量电极(4或U.ref(n))在使用测量半桥或测量全桥的情况下作为桥电压转移，由此达到了对绝缘薄层电阻或测量设施的温度相关性的完全的补偿。对测力传感器的迄今为止公知的解决方案以及此外参照专利DE 000019954164B4和DE102006019942A1提出异议如下：

·基于在现有技术中描述的压阻式绝缘薄层系统的所有测力装置不包含任何装置，以便高度准确且完全补偿绝缘电阻的依赖于温度的漂移。

·使用各种类型的绝缘薄层和具有半导体特性的多重层系统，其中，它们的敏感度参照依赖于力的传导能力或电阻有针对性地通过专门的制造法、化学物质组合和干扰部位的引入来实现，干扰部位释放附加的载流子，载流子极大地提高了依赖于力的压阻效应。针对这种绝缘薄层或绝缘薄层组合的示例是铝-钛-亚硝酸盐、铝-铬-亚硝酸盐、锆-氧化物-亚硝酸盐或铝-铬-亚硝酸盐-氧化物以及许多其他的物质组合，它们作为半导体具有对依赖于力的电阻变化的强烈的敏感度。

·机械的力传递元件在几何形状和材料选择方面以如下方式设计，即，使得机械的力传递元件不发生几何形状变化或发生可忽略的变形以及因此力测量在没有路径变化或直接的路径上的行驶路径的错误的情况下转化成能以电方式测量的信号，也就是说，唯一的传感器联接环节是绝缘薄层并且其他的构件公差和机械故障没有进入在测量链中。

·此外，例如在具有硬质合金力传递元件作为电极(1和3)的传感器实施方案中达到了在金属电极(1和3)的分界面之间的在电上准确限定的过渡电阻，金属电极的在毫欧姆范围内的过渡电阻正好是恒定的，与作用的力无关，这些元件在作用的力下被压紧。

·测力传感器或作为多维测力单元的测力传感器组合的任意的也被微型化的实施方案能够实现极为快速且高分辨率的测量单元，其中，这个系统的物理极限仅在电上通过测量电流的再充电时间或测量回路的电压变化和模数转换器来限制。现代的电子的信号放大和处理电路在此开发了在动态测力中的迄今为止未被了解的功率级。

·视所选择的绝缘薄层或多重绝缘薄层系统和它们的材料成分以及相应稳固的力传递元件而定地，可以实现这种传感器在低于一百摄氏度至1200摄氏度的范围内的迄今为止未被了解的耐热性。

·节能的应用和极为成本低廉的利用电池在多年内运行的微型化的测力系统是可能的，这是因为测量电流仅暂时在具有极长的静止阶段的主动沉睡运行中接通，其中，测量系统的极短的起振阶段能够实现极短的主动持续时间。

·绝缘薄层的机械的稳固性和耐磨性处在机械的联接元件的负荷极限之上，例如在硬质合金中超过2千兆帕的抗压强度。

多种多样的构造可能性与在微型化方面的极高的自由度，在机械标准元件(例如连接元件，如栓、螺钉、压力盘等)中的正常的结构大小和在重型机械制造中的应用相关联地通过这种测量技术借助绝缘薄层实现。

在图4中的下方，在A5页上的实施例作为剖面图示出了沿一个方向的力测量以及在图4中的上方示出了沿两个方向的与分量相关的测力，也就是说在具有力分量F_x和F_y的二维空间(2D)中。在A6页上的按图5的另一实施例中示范性地示出了多维的传感器结构，其中，与分量相关地在由3D空间(F_x+F_y)内的4个不同的转动角构成的2x 4维空间中完成电的力测量。这种测量电路和所选择的传感器结构作为剖面图示出，其中，任意多个待旋转地添加的(n个)传感器元件可以组装在一起，但在此在具体的示例中n＝4个独立的单元确定用于4个转动角，应当示范性地表明在机械结构和电子评估可能性方面的设计自由度。

附图标记列表

(1)在多维测量单元中的电极或共同的电极

(2)绝缘薄层[在多维的结构2-n或2.n中]，也就是说，第n个绝缘薄层

(3)在多维的传感器中的电极或第N个电极(在多维的结构3-n或3.n中)

(4)在多维的传感器中的参考金属电极或第N个电极(在多维的结构4-n或4.n中)

(5)用于参考金属电极的支架，其用恒定的保持力从两个对置的方向在恒定的保持力下固定参考金属电极

(6)电源I_q

(7)电流测量仪I或在多维的实施方案中，各自的力分量(力方向)和所配属的第N个电流测量通道的第N个电流测量仪

(8)电压测量仪U或U_n，在多维的实施方案中，各自的力分量(力方向)和所配属的第N个电压测量通道的第n个电压测量仪[在多维的结构8-n或8.n中]

(9)参考电压测量仪U_ref或U_ref-m，在多维的实施方案中，各自的力分量(力方向)和所配属的第M个参考电压测量通道的第M个电压测量仪[在多维的结构9-m或9.m中]

(10)参考电流测量仪I_ref或I_ref-m，在多维的实施方案中，各自的力分量(力方向)和所配属的第M个参考电流测量通道的第M个参考电流测量仪[在多维的结构9-m或9.m中]

(11)固定电阻R_1＝测量半桥的常量

(12)固定电阻R_2＝测量半桥的常量

(13)测量全桥的绝缘层电阻R_1

(14)测量全桥的绝缘参考电阻R_ref-1

(15)测量全桥的绝缘层电阻R_2

(16)测量全桥的绝缘参考电阻R_ref-2

(17)在两个互相叠放的测量单元之间的绝缘层电阻R_17，因此可以实现测量全桥电路[R_17＞＝500*R_1]。

Claims (16)

1.用于以电方式测量力F的装置，所述装置至少在两个压紧的金属电极1和金属电极3之间作用，其特征在于，所述金属电极由硬质合金、钢或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的低欧姆金属层构成，具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻和小于等于400纳米的平均粗糙度R_a，所述金属电极在接触面处具有不依赖于力的传导能力，并且在等于、小于所述金属电极1和所述金属电极3的千分之0.1的范围内的最小相对变形的情况下，力直接作用到形状锁合地布置在金属电极1和金属电极3之间的绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2上，所述绝缘薄层或所述多分层绝缘薄层由氧化锌或随机还原的氧化铝Al₂O_x，其中x＝2.4至x＝2.8，或碳化硅或DLC层[类金刚石碳]构成，并且不依赖于待测量的力流地布置且在紧固元件5的恒定的保持力下固定的参考金属电极4通过具有正好相同的物理特性的结构相同的绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2以电方式作用到所述金属电极3上，从而使得金属电极3和金属电极4之间的绝缘薄层在恒定的按压力下的这个参考电阻被用于对作为半桥或全桥的测量设施的完全的温度补偿，其中，在串联电路中的电流通路上，高精度的电源6的限定的电流经过所述金属电极1、经过所述绝缘薄层2流向金属电极3，经由所述绝缘薄层2流向金属电极4，从而经由所述绝缘薄层在所述金属电极1和所述金属电极3之间下降了依赖于力的电压8并且在参考的绝缘薄层2的金属电极3和金属电极4之间下降了参考电压9，它们的电压比不依赖于温度，其中，测量桥的产生的桥电压或直接测得的电压比不依赖于所述用于以电方式测量力的装置的运行温度地限定了针对作用力的连续的、高分辨率的并且能准确描述且能重复的函数，其中，补偿温度的电压比或测得的桥电压直接通过电连接输送给信号准备和评估单元，从而实现了根据本发明的测力装置的电去耦且机械稳固的构造，其中，金属电极1、2和3的几何形状能自由选择为平坦面或自由成形面的形式。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在至少两个金属电极的接触面制造为平均表面粗糙度R_a小于等于400纳米的情况下，在整个接触面上实现了小于4微米的范围内的形状锁合，由此在至少两个或更多个由硬质合金或极坚固的钢、或金属粉末注射成型件、或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的具有几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻的低欧姆金属层构成的金属电极1、金属电极3和金属电极4的没有绝缘薄层的接触面之间的电阻不依赖于使这些金属体压紧的作用力地恒定保持在±3毫欧姆的公差带内，并且根据所使用的金属和所述接触面的面积在20毫欧姆至最大160毫欧姆的范围内形成，由此提供了测量技术上的前提条件，即，仅所述绝缘薄层2表现出依赖于力的电阻变化。

3.按照权利要求1至2中任一项或多项所述的装置，其特征在于，所述绝缘薄层2施装在硬质合金电极、钢电极或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻的金属层电极上，从而金属电极1、金属电极3和金属电极4的电极基体与所述绝缘薄层2相比至少具有相同或更大的强度，由此避免了由于压入或剥落而使所述绝缘薄层相对载体材料发生形变和受损，并且测量设施不会由于力作用而变形或由于力作用而极小变形地，也就是说在小于千分之0.1的相对变形的情况下，从而使得整个测力系统在没有由于机械的金属电极1、金属电极3和金属电极4的变形导致的路径变化的情况下工作，并且因此将作用到所述绝缘薄层上的力转化成直接的电阻变化，所述电阻变化是力的单义的、高分辨率的且连续的函数。

4.按照权利要求1至3中任一项或多项所述的装置，其特征在于，作为金属电极1、金属电极3和金属电极4的、用于在外部力作用部位与测力装置的绝缘薄层2和布置在金属电极3和金属电极4之间的参考绝缘薄层2之间进一步传力的机械的传递元件由高强度的钢或硬质合金、金属粉末注射成型件、具有专门的高强度的层或层系统的施装部的陶瓷或玻璃原料制成，所述层或层系统由碳化硅、DLC[类金刚石碳]、氧化锌或随机还原的氧比例x大于等于2.4至2.8的氧化铝Al₂O_x构成，由此实现了由金属电极1、金属电极3和金属电极4和绝缘薄层2构成的测量单元的元件的极高的机械和化学的稳固性、形状稳定性和无磨损性，并且这个测量单元在测量装置附近小于等于200毫米的空间间距内承受住所述绝缘薄层2的热负荷和与电子测量评估电路的部件(6、7至17)的电接触，从而使得测量设施在低于-80℃至+300℃的温度范围内运行，其中，远多于十万个开关周期也不会导致所述绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2的单义的力电阻函数的变化。

5.按照权利要求1至4中任一项或多项所述的装置，其特征在于，由金属电极1、金属电极3和金属电极4和至少一个绝缘薄层2构成的测力单元通过使用在绝缘薄层2和电子评估单元的部件(6、7至17)之间的耐热的电连接实现为在-80℃至+1100℃，在个别情况下至+1200℃的温度范围内的高温应用，其中，连接系统的接触面以及金属导体和绝缘体在大于20毫米至5米的线路长度下通过有针对性地选择绝缘薄层系统2[SiC、Al₂O_x、ZnO]而耐热至1200℃。

6.按照权利要求1至5中任一项或多项所述的装置，所述装置构造为微型化且紧凑的结构形式，用于以电方式测量在毫牛顿至兆牛顿范围内的力F，其特征在于，通过金属电极1、金属电极3和金属电极4的机械结构实现了测力系统的极稳固且能承受动态负荷的构造，其中，金属电极接触面1和金属电极接触面4的平均粗糙度R_a与金属电极3的小于等于200纳米的平均粗糙度R_a相比以比例30:1至2:1地更粗糙，由此有针对性地视应用而定地通过如下方式确定测量单元的连续的力电阻特性曲线的上升，即，电极的粗糙度比1:1与更高的比例X:1，其中X＝1.5至30.0，相比，产生了力电阻特性曲线的明显更小的上升，所述更高的比例导致力电阻特性曲线的明显更陡的上升，并且此外，金属电极接触面设计为成形件，其中，使用具有限定的表面粗糙度的平坦面或自由成形面，所述限定的表面粗糙度提高了高强度的覆层在力传递面上的附着强度，由此实现了所述绝缘薄层2或所述多分层绝缘薄层2的强度以及具有至2千兆帕的硬质合金或至1.2千兆帕的极坚固的钢的压力承载能力的金属电极1、金属电极3和金属电极4的基体，并且此外所述装置的特征在于，通过在原料选择和以可供使用的覆层技术实现的原料处理方面选择出所述绝缘薄层2的制造法来确定依赖于力的绝缘特性的在毫欧姆、欧姆至数十万欧姆范围内的特定的电阻特征值或工作范围，它们在具有针对毫牛顿范围的几立方毫米的结构空间的小型结构形式中、在牛顿至千牛顿范围内的最多一百立方厘米的范围内的中等结构大小中以及在兆牛顿范围内的小于一立方米的大型结构形式下工作。

7.按照权利要求1至6中任一项或多项所述的装置，其特征在于，测量装置的元件(1、2、3至17)通过多个绝缘薄层2或也称为复合式层的多分层绝缘薄层2的组合以电方式作为测量半桥或测量全桥运行，从而通过电互连有针对性地多倍地提高了测量敏感度，并且分别通过针对每个测力单元的一个或多个参考金属电极4完全补偿由温度导致的电阻偏差，并且此外由金属电极1和金属电极3、绝缘薄层2和参考金属电极4构成的测量单元组合沿待测量的力作用的方向的空间布置以及第二测量单元组合的元件(1、2、3和4)沿例如作为系统内的重叠的机械振动导致的干扰性的力分量的方向的第二空间布置能实现测量半桥或测量全桥作为电差分电路的运行，从而有针对性地通过寄生的机械振动减小或完全补偿干扰信号。

8.按照权利要求1至7中任一项或多项所述的装置，其特征在于，测量装置通过多个绝缘薄层(2.1对应于通道壹以及2.2对应于通道贰)或也称为复合式层的多分层绝缘薄层(2.1、2.2至2.n)的组合以电方式作为多条测量通道的多组式电路由一个或多个测量半桥或测量全桥来运行，所述多组式电路的空间布置或几何布置被设计成使得待测量的力能作为矢量参量准确地在数值和方向上针对每个配属的测量通道通过如下方式同时得到确定，即，在具有宽度X、长度Y和高度Z的笛卡尔坐标系的至少三个空间维度内和/或附加地在围绕X-Y平面的法向量的转动轴线、Z轴线和另一转动轴线的极坐标系内独立地检测力作用作为矢量分量，这些轴线一对一地描述了相对于X-Y平面的倾斜角。

9.按照权利要求1至8中任一项或多项所述的装置，其特征在于，元件，即金属电极1、绝缘薄层2、金属电极3和参考金属电极4的无论是简单的还是复杂的机械结构都构造为电测力装置，其借助绝缘薄层2构建成一个或多个电测力装置的组合，所述绝缘薄层由单层(2)或也称为复合式层的多分层式层(2或2.n)构成，它们以宏观结构形式，也就是说在大于10mm的范围内，并且也作为微型化结构以微观结构形式，也就是说在亚毫米范围内施装在作为平坦面或自由成形面的少量的成形件上，其中，多个金属和/或陶瓷或玻璃构件力锁合地和/或形状锁合地布置并且与补偿温度的方式检测力矩以及力，其中，通过施装在兆欧姆范围内的高欧姆的绝缘层，使得这些构件相对外部环境高欧姆地电绝缘以及相对彼此充分电绝缘并且在机械和电上以无相互作用的方式相对彼此去耦地作为金属电极1、3和4运行。

10.按照权利要求1至9中任一项或多项所述的装置，其特征在于，电测力装置的测量敏感度的确定与在毫牛顿至兆牛顿范围内的测力范围相关地限定，并且此外，通过金属电极1、金属电极3和参考金属电极4的结构上的几何造型以如下方式来预定力方向，即，这些电极作为能自由选择的常规几何形状的能插装在一起的主体被设计和制造为正模和负模，它们的形状偏差在电极接触表面的平均粗糙度R_a小于等于400纳米时小于等于6微米，这些电极例如作为用于测量拉力或压力的、形状相同的周侧面的内截锥体和外截锥体，在它们的周侧面上施装有绝缘薄层2，其中，能自由选择压力或拉力测量单元的锥角以及进而还有机械转化比，并且此外，通过具有施装在柱体周侧面上的绝缘薄层的外柱体和内柱体的交错地安置的柱面实现了径向的张力的表现并且因此直接测量出在柱形的张紧系统之间的收缩连接的径向的和轴向的力传递能力，其中，这被线性地表现为两个主体之间的力作用或者在其他应用示例中，对于所述测量系统的结构上的设计自由度来说，借助分级的柱体直接测量轴向的拉力或压力是能实现的，其中，两个或多个成形件的绝缘薄层2施装到柱环的端面上并且因此直接且线性地表现出匹配的成形件的轴向作用的拉力或压力，并且也能实现转矩的直接测量，其中，通过交织的旋转对称的成形件的在金属电极1和金属电极3和支承在它们中间的绝缘薄层2之间的平坦贴靠面，所述平坦贴靠面的法向量与转动方向相切，其中，所述绝缘薄层施装在轴的平坦面或自由成形面上，所述绝缘薄层的法向量指向待测量的在两个主体的柱体周边上起扭转作用的力的方向。

11.按照权利要求1至10中任一项或多项所述的装置，其特征在于，所述金属电极通过一个或多个绝缘薄层(2或2.n)彼此电绝缘且在机械上作为常规几何形状或自由成形几何形状被构造成使得至少能通过如下方式实现对压力和拉力的双通道或多通道的同时的测量，即，所述绝缘薄层在两个彼此连接的截锥体的周向面上的施装在相应的内部电极的外表面上实施，其相对于准确匹配的封装，也就是说具有平均粗糙度小于400纳米的表面粗糙度和小于6微米的形状公差，作为两个彼此电绝缘的外部电极，作为负模安装，其中，不发生例如由硬质合金制成的金属电极1、金属电极3和参考金属电极4的变形或发生小于千分之0.01的极小的相对变形，并且在具有沿力作用的方向的尖端的截锥体上的绝缘薄层2测量压力且具有与力作用相反的尖端的截锥体测量拉力，并且因此电测力装置同时能实现作为正地和负地作用的力的相反的力方向的力测量。

12.用于在使用按照权利要求1至11中任一项或多项所述的装置的情况下借助绝缘薄层2以电方式测量力的方法，其特征在于，使用精确的电子信号发生器作为电源6，所述电子信号发生器要么在运行模式中作为受调节的直流电源工作，要么此外在运行模式中作为交流电信号源工作，从而使得明确限定的且能用作准确的参考的输出电流信号以例如正弦信号、矩形信号或三角形信号的形式在能自由选择的振幅和频率下输送给电阻测量电路，并且此外使信号处理和评估电路与各自的运行模式协调一致，从而视应用情形而定地有针对性地借助通过带通或带阻的信号过滤有针对性地抑制或补偿来自周边环境的电干扰参量，即强烈的电场或电磁场，带通或带阻的信号过滤的极限频率与应用情况相关地设计，并且在脉冲间歇运行中也实现了将这种测量设施的能耗减小了大于十的2至4次方。

13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，由金属电极1、绝缘薄层2、金属电极3和参考金属电极4构成的薄层测力系统或借助元件(1、2、3和4)的绝缘薄层实现的电测力装置的组合的动态提供了兆赫范围内的力变化曲线的时间分辨率，其仅通过绝缘薄层2和参考薄层4作为在小于、等于100欧姆至1欧姆的范围内的低欧姆测量电阻的设计方案来实现，由此实现了测量电流的提高以及特别是表现出的测量电压的边沿斜度的提高，所述测量电压表现为在绝缘薄层电阻上的电压降并且在低的微秒至十纳秒范围内实现，并且此外所述方法的特征还在于测量电子器件的电匹配，用于以在低于八百纳秒的时间延迟下直至最小三位的微伏范围的分辨率检测在绝缘薄层(2或2.n)上的电压降，从而整个测量系统在时间特性和敏感度方面的有效功率仅通过该匹配来确定，并且因此能实现时间上高分辨率的且无变形的力测量，所述力测量例如在涡轮机或强电流发电机的轴承套上执行。

14.按照权利要求12至13中任一项或多项所述的方法，其特征在于，用于在外部力作用部位与绝缘薄层2之间进一步传力到金属电极1、金属电极3和参考金属电极4上的机械的传递元件由坚固的塑料或高强度的复合原料制造为成形件，其中，电测力系统通过施装高强度的金属层作为元件的导电的金属电极(1、3和4)、将绝缘薄层(2或2.n)施装在这些金属电极(1、3和4)上并且此外作为这些电极与电子测量系统的低欧姆的电接触，在元件(6、7至17)的小于五十毫欧姆的电阻范围内在金属电极(1、3和4)的由塑料或复合材料制成的电极基体的载体材料上提供。

15.按照权利要求12至14中任一项或多项所述的方法，其特征在于，金属电极1、金属电极3和金属电极4通过绝缘薄层2彼此电绝缘，从而使得由元件(1、2、3至17)构成的电的测量单元的电容和/或电阻是作用的压力的单义且连续的函数，所述作用的压力从外部作用到所述测量单元上，其中，为了以电方式测量依赖于力的电容C或阻抗Z，使用精确的电子信号发生器作为电源，所述电子信号发生器作为在运行模式中受调节的交流电信号源工作，从而使得明确限定的且能用作准确的参考的输出电流信号以例如正弦信号、矩形信号或三角形信号的形式在能自由选择的振幅和频率下输送给电容或阻抗测量电路并且所述电容或阻抗测量电路作为振荡回路在谐振频率下激励，其中，通过在金属电极(1、3和4)之间的作用的力使得振荡回路由于电容和/或阻抗变化而不协调，并且同样交流电压测量信号的振幅在绝缘薄层2的容抗的电阻上下降，所述振幅的变化曲线描述了相对于所述作用的压力的一对一且连续的函数，并且电子的信号处理和评估电路通过视应用而定的带阻过滤器或带通过滤器几乎完全抑制或补偿由于寄生的机械振荡或来自周边环境的电场所导致的干扰信号。

16.按照权利要求12至15中任一项或多项所述的方法，其特征在于，金属电极1、金属电极3和金属电极4通过绝缘薄层彼此电绝缘，从而电的测量单元的阻抗Z，也就是说电感式的交流电电阻或电容式的交流电电阻是作用的按压力的单义且连续的函数，所述按压力从外部作用到所述测量单元上，其中，为了以电方式测量依赖于力的电感L或电容C，使用精确的电子信号发生器作为电源，所述电子信号发生器作为在运行模式中受调节的交流电信号源工作，从而使得明确限定的且能用作准确的参考的输出电流信号以例如正弦信号、矩形信号或三角形信号的形式在能自由选择的振幅和频率下输送给电容或电感测量电路并且所述电容或电感测量电路作为振荡回路在谐振频率下激励。