CN112888912B - 具有结构化承载件的应变测量结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应变测量结构，其包括承载件，该承载件仅在接合到待测物体之后才沿着预定断裂点划分成多个部位。在沿着预定断裂点分开之后，在物体发生应变的情况下，在接合区中单独接合的部位可以相对于彼此自由移动，而应变测量结构不会对待测量物体施加明显的力，这可能会使应变测量失真。用于测量应变的测量组件位于部位之间。取决于应用，所述测量组件可以基于不同的原理。本发明还涉及用于生产应变测量结构的方法、用于测量物体的应变的方法以及该结构在测量应变中的用途。本发明还优选地涉及一种系统，该系统包括应变测量结构和用于读出并且优选地激活并接合该结构的控制装置。

Description

具有结构化承载件的应变测量结构

技术领域

本发明涉及一种应变测量结构，其包括承载件，该承载件仅在接合到待测物体之后才沿着预定断裂点被分成多个部位。在沿着预定断裂点分开之后，在物体发生应变的情况下，在接合区中单独接合的部位可以相对于彼此自由移动，而应变测量结构不会对待测量物体施加明显的力，这可能会让应变测量失真。用于测量应变的测量组件位于部位之间。取决于应用，所述测量组件可以基于不同的原理。本发明还涉及用于制造应变测量结构的方法、用于测量物体的应变的方法以及该结构在应变测量中的用途。本发明还优选地涉及一种系统，该系统包括应变测量结构和用于读出并且优选地激活(activate)并接合该结构的控制装置。

背景技术

例如，对物体进行应变测量以确定尺寸并评估机械应力部件。为了根据其功能适当确定机械应力部件的尺寸，必须了解应力的类型。用于设计的决定性参数是出现的最大应力，该最大应力最终决定了尺寸。这些压力需要预先确定，然后在实验中进行实验检查。因此，可以将实验应力分析视为理论计算与实验期间验证之间的链接。应变仪或通常的应变传感器用于这种应力分析。

此外，在机器状况监测过程中需要对应变进行实验分析，以记录和记载变化的应力，例如，由于边界条件和操作条件以及材料特性随时间的变化而引起的应力变化。

由于部件的几何形状和载荷应用，应力状况是位置的函数。主应力的大小及其主方向在整个表面上都变化。局部应力峰值通常位于明显的尺寸变化周围，诸如肩部、缺口等。在它们附近存在明显的梯度。应力状况是经由形变或应变测量确立的。即使在较高的部件应力(恰好在断裂点之前受力)的情况下，在通常使用的、最主要的金属材料中仅有非常小的形变或应变(约1至2‰)。承受纯机械载荷的部件在部件表面上经受的应力最大。因此，该测量优选地在表面上进行。因此，必须在局部引入和应用敏感的测量结构，并尽可能紧密地连接至测试物体。

通常必须测量多轴应力状况。只要不存在额外的法向载荷(例如压力)，通常在待测物体的表面上就会出现双轴应力状况。然而，通常来说，其主要方向是未知的。应变仪的应变花(rosette，其在不同的方向上具有多个应变仪)完成了在实验应力分析中完全确定双轴应力/应变状况的重要任务，因为已经证明可以通过在不同方向上利用三次独立应变测量来确定主应变。即使主要方向是已知的，仍然需要两次独立的应变测量来确定它们。现有技术中已知的布置是45°直角应变花和60°三角形应变花。

应变仪基于由于长度和横截面变化而引起的电阻变化。如果应变仪被伸展，其电阻会增加。如果应变仪被压缩(负应变)，其电阻会降低。在此，适用dR/R＝k·ε，其中ε对应于长度的相对变化。

金属应变仪的问题区域是低k因子、发生的低灵敏度以及应变仪很大，因此空间分辨率较差，特别是对于应变花而言，由于应变仪的尺寸，在不同位置处的不同轴上进行测量，导致错误的结果。

相比之下，半导体应变仪可进行明显更灵敏的测量。然而，尽管这些应变仪的机械灵敏度也很高，但是组装很复杂，并且应变仪经常断裂。另外，这些半导体应变仪通常被刚性地粘合在待测量物体的整个表面上，通常是为了增加应变仪的稳定性。其中，粘合剂的机械性能经常影响应变测量和使应变测量失真。

通常，现有技术中已知的应变仪测量方法也存在问题，特别是其中桥接电路通常在部件上的不同位置处仅使用1或2个有源、相对较大的应变仪，并且桥接电路补充有无源电阻器，其特别是会导致较差的温度补偿和低灵敏度。

从WO 2010139034 A2中已知所谓的侧壁MEMS，其是在侧壁中具有显性杂质的MEMS结构，其导致压阻部位的形成。这些可以用作传感器，以测量MEMS部件本身的应力。这得益于为MEMS技术构造半导体的可能性，例如，高设计灵活性、可能的传感器的高灵敏度、MEMS结构的无材料疲劳、与CMOS技术的兼容性、生产技术的普遍性以及由于集成传感器而导致的简单结构。取决于具有多个测量电阻器的设计，由于测量电阻器在MEMS部件内彼此接近，因此还可以实现良好的固有温度补偿。

然而，使用这种结构来测量外部物体的应变是未知的。这也带来了一些挑战，诸如测量半导体(硅)结构的整个刚度矩阵及其通常的高刚度，以及传感器可能出现的温度漂移。到目前为止，在现有技术中不能克服这些挑战。

本发明的目的

本发明所基于的问题是提供一种不具有现有技术的缺点的应变测量结构。特别地，本发明所基于的问题是提供一种应变测量结构，其高度灵敏且紧凑，但是坚固、易于储存和附接，并且对错误的敏感性低。

发明内容

该问题通过独立权利要求的特征解决。在从属权利要求中描述了本发明的有利实施方式。

一种用于对物体上的应变进行测量的应变测量结构，所述应变测量结构包括

-结构化承载件，

-用于单轴应变测量的至少一个测量组件，

其特征在于，承载件具有至少两个部位，所述至少两个部位通过预定断裂点彼此分开，其中测量组件存在于两个部位之间，每个部位可以在接合区中接合至所述物体，并且其中，预定断裂点被配置成通过将承载件分开为部位来激活应变测量结构。

由于在接合至待测物体之后仅沿预定断裂点被划分为部位的连续的承载件，因此应变测量结构特别坚固并且在接合之前易于处理。在沿着预定断裂点分开之后，在物体发生应变的情况下，在各自的接合区中单独接合的部位可以相对于彼此自由移动，而应变测量结构不会对待测量物体施加明显的力，这可能让应变测量失真。用于测量的应变的测量组件位于部位之间。取决于应用，所述测量组件可以基于不同的原理。承载件的分开和接合都可以远程控制，例如经由电控制和适当的接合和分开原理来远程控制。该装置特别适合于非常小型化或难以接近的应变测量结构并自动地测量。

应变测量结构用于对物体上的应变进行测量。物体优选地可以是任何类型的机械应力部件，其应力以在物体上的应变的形式是明显的，并且可以借助于应变测量被测量。应变(通常用符号ε表示)表示物体的主体长度的相对变化，可以是拉长或缩短。应变优选地在力的作用下和/或在温度变化期间发生。物体的放大称为正应变或伸展，否则称为负应变或压缩。应变优选地定义为ε＝Δl/l₀，其中Δl代表长度的变化，并且l₀代表初始长度。在电阻应变测量中，其中应变引起电阻变化ΔR，k因子是应变与电阻的相对变化之间的比例常数，并因此是应变测量灵敏度的度量：ΔR/R＝k·ε。

原则上可以在物体的任何点和沿着物体的(一个或更多个)任何方向进行应变测量。但是，优选地，在可以位于物体的内部和/或外部的区域内至少沿一个(优选笔直的)方向或轴线进行应变测量。这样的区域可以例如是物体的表面，但也可以是复合物体的多个部件之间的分开表面，例如，在沿着内部表面嵌入层压件的情况下。

结构化的承载件是优选地坚固且形状合适的元件，根据其名称，承载应变测量结构的测量组件，该测量组件优选地提供稳定且紧凑的平台，并且可以在测量组件和待测物体之间形成连接。承载件可以采取许多形式，例如，它可以是杆状的或具有框架状结构的形式。

用于单轴应变测量的测量组件优选地包含所有用于对物体的应变进行测量的基本元件。应变测量可以以各种方式来实施，例如通过在已知的应变仪的情况下所使用的传感器材料的电阻的改变。然而，也可以想到在由应变引起的距电极的距离变化的情况下，通过测量电容的变化来进行应变测量。作为应变测量的基本原理，例如光学距离测量也是可能的。其中，测量组件包括对基本测量原理必不可少的元件，诸如用于经典应变测量的(压电式)电阻元件、用于电容测量的电极或用于光学应变测量的合适光学元件等。然而，结构化承载件优选地作为用于测量组件的平台是必不可少的，以赋予稳定性和锚定待测物体。单轴测量组件优选地涉及应变测量的基本方向。优选地，这由直线表示，该直线指示优选的测量方向或测量组件的轴线。这又特别是由测量组件的结构和基本测量原理给出的。通常配置基于电阻变化的测量组件，例如，以基本上沿其纵向方向测量应变。电容应变测量还基本上测量例如沿电极的法线的应变。然而，优选地，还可以部分地沿着具有与优选方向成横向的部分的其他方向部分地进行测量。测量组件优选地具有基本上两个端点或侧面，在它们之间优选地进行单轴测量，并且其连接部分代表优选的测量方向。优选地，这基本上是沿着测量组件的在两个部位之间的连接路径，在这两个部位之间存在测量组件。

诸如“大致”、“大约”、“约”等的术语优选地描述了小于±40％、优选地小于±20％、特别优选地小于±10％，甚至更优选小于±5％、特别是小于±1％的公差范围。术语“类似”优选地描述了大约相同的尺寸。术语“部分地”优选地描述至少5％的部分，特别优选地至少10％，并且特别地至少20％，在某些情况下至少40％的部分。

承载件具有至少两个部位，所述至少两个部位通过预定断裂点彼此分开。预定断裂点是优选地故意削弱承载件的结构的点，从而可以沿着该预定断裂点进行承载件的分开或故意引起的断裂。预定断裂点应以如下方式被配置：以非正锁定或正锁定方式将处于原始状态的承载件的部位彼此连接，使得承载件的部位形成单元。然而，预定断裂点以这样方式被设计：可以通过沿承载件引入的能量应用将承载件划分为部位，优选地，不会不利地影响剩余的应变测量结构及其功能。

每个部位都可以在接合区中接合至待测量的物体。接合装置特别是以非正锁定和/或正锁定的方式彼此连接，例如通过焊接、粘结、焊合、铆接、钉牢和/或螺丝结合。也可以考虑基于物体与接合区之间的负压力的抽吸连接。在此，接合区是旨在与待测物体接合的部位的区。例如在测量组件的下侧上的部位的光滑表面上可以存在接合区，该接合区优选地形成与待测量物体和应变测量结构的连接表面。接合区优选地尽可能小，使得应变测量结构不在大区域上而是在特定点处与待测量物体相连。然而，接合区优选地足够大，以确保即使在物体的最大可能的、通常期望的应变下，应变测量结构也以非正锁定和/或正锁定连接。其中，每个部位优选地具有恰好一个接合区。但是，也可以优选地经由一个以上的接合区将至少一个部位接合至物体。接合区可以优选地适合于例如经由特别处理的表面接合至物体，该表面被粗糙化，例如同样地，接合区可以已经具有连接元件，诸如粘合剂(其优选地可以被激活)。

测量组件位于两个部位之间，两个部位可以经由预定断裂点彼此分开。特别地，这意味着测量组件优选地适于识别由于沿单轴应变测量的应变而引起的部位的距离的变化。对于各个测量原理优选的元件特别地在这两个部位之间被划分，使得该测量成为可能。例如，测量组件可以安装在用于进行电阻式应变测量的部位之间，并且连接至每个横向侧上的一个部位。在这种情况下，横向侧优选地表示测量组件的横向于优选测量方向或轴线的一侧。用于进行电容应变测量的测量组件可以优选地具有至少一个电极，每个电极存在于部位中并连接至部位。

预定断裂点被配置为通过将承载件分开成部位来激活应变测量结构。这尤其意味着，通过引入外力和/或能量，可以沿预定断裂点将承载件划分为多个部位。激活还意味着应变测量结构处于特别适合于测量待测物体的应变的状态。特别是在承载件不再代表单元而是被划分成部位时的情况下，在该部位之间优选地存在至少一个测量组件。在这种情况下，所述部位优选仅是测量组件的两侧或端点的平台，在它们之间进行距离测量。在激活之后，部位优选地不再彼此直接连接，并且可以通过使物体拉紧而基本上无阻力地相对于彼此移动，使得可以优选地测量部位的接合区之间的物体的应变。特别地，物体仅在某些点处与应变测量结构直接接触，例如经由大的粘合表面来接触，使得物体的应变不受该结构的影响。其中，测量组件有利地精确布置在这些接合区之间，这些接合区仅以点的形式出现。以这种方式，可以进行出乎意料精确的应变测量。应变测量结构在测试物体上基本上没有反应。对于粘合剂的刚度或弹性也只有最低的要求，从而可以大大简化接合技术。

承载件的部位分开优选地可以在没有手动操作的情况下进行，例如通过用电热丝对预定断裂点进行加热并使其熔化。这有助于应变测量过程的完全自动化，这特别地在物体和/或特别小型化的应变测量结构的不可接近的位置处的应变测量中是非常有利的。

与物体接合之后的激活提供了以下优点：由于连续的承载件，应变测量结构在激活之前是特别坚固的，并且易于处理。在没有将各个部位复杂地定位的情况下，也能够非常容易地进行接合，其中一个或更多个测量组件基本上处于它们中性位置，在该位置中它们被预先安装在连续的承载件上，而无需任何进一步的干预。

一旦接合至物体并被激活，测量组件基本上在部位之间是无支撑的，并且仅经由每个部位的接合区连接至物体。因此，测量组件基本上不对待测量的物体施加任何力。由于缺少抵抗由承载件、大区域粘合区和测量组件本身对物体施加应变的力，因此可以协同提高应变测量的精度。

其中，应变测量结构的尺寸可以优选地非常不同，并且在几厘米(cm)和(亚)微米(μm)之间。

在本发明的优选实施方式中，测量组件被配置成用于电阻式应变测量，优选地用于压阻式、压电式、光学式、磁性、电感式和/或电容式应变测量。其中，测量组件可以包括单个元件，该单个元件用于电阻式应变测量，优选地用于压阻式、压电式、光学式、磁性、电感式和/或电容式应变测量；还可以优选的是，测量组件包括多个此类元件。

电阻式和压阻式测量组件基于由于测量组件长度的变化而引起的电阻的变化，这种变化在电阻式测量组件的情况下是基于几何特性的变化，并且在压阻式效应的情况下是基本上由材料引起的。由于测量组件的应变而引起的电阻的压阻变化明显更强(k因子)，特别是在(掺杂)半导体的情况下，并且优选地允许更灵敏和更精确的应变测量。电阻的变化可以优选地通过改变施加在惠斯通电桥中的测量组件的电压来测量。这些测量装置是本领域技术人员已知的。本领域技术人员还知道，为了获得(压电)电阻式测量组件他必须优选使用哪些材料，并且在制造这种测量组件时，还应考虑诸如材料的任何各向异性(压电)电阻因素和/或弹性特性因素，诸如特别地优选在半导体材料中出现的特性。

压电式测量组件优选地基于通过作用在组件上的压缩力和/或拉伸力产生的材料固有的电压。本领域技术人员知道哪种材料和/或材料混合物以及哪种材料的结构优选地适合于压电式测量组件。

(压电)电阻式和压电式测量组件都优选地安装在两个部位之间，并且被构造成使得：当在部位之间存在可测量的应变和/或距离变化时，测量组件基本上不会在该部位上施加力。为此，测量组件优选地沿轴线略微可伸展和/或弹性。

感应测量组件优选地基于由可变磁场产生的电流的强度。在此，测量组件可以包括例如振荡电路，该振荡电路在一侧上的两个部位之间或在一个部位中的端点之间具有线圈，该振荡电路产生随时间不断变化的磁场，同时该振荡电路在另一侧或在第二部位的另一端包括电导体，该电导体通过变化的磁场感应出电流，而磁场的变化取决于线圈的距离。由于距离依赖性，可以确定两个部位之间的(变化的)距离，该距离可以转换为两个部位之间物体上的应变的量度。基于线圈电感的变化的电感式测量组件也可以是优选的，例如带有可移动铁芯的差动变压器，它会影响到两个次级线圈的耦合系数、线性可变差动变压器或电感式环形传感器，其中改变了磁路的有效气隙和/或磁感应距离传感器和/或涡流传感器。

此处的特别优点是，测量组件的两端或两侧可以分开，因为感应是基于电场的，不需要物理传输介质。因此，基本上没有力通过测量组件施加在两个部位上，并且应变测量特别灵敏、精确且无误差。

存在于两个部位之间的光学式测量组件优选地经由距离测量来测量部位之间的应变，该距离测量还可以测量距离的变化，即，应变。此类测量例如基于干涉测量，其中，经由叠加相干光信号，可以读出关于它们的相位差的信息。该相位差又优选地包含关于部位之间的距离的信息。本领域技术人员可以通过使用诸如光源(激光)、分束器和光检测器(光电二极管)的合适的光学部件来实施这种光学式测量组件。这种基于干涉测量的光学式测量组件使得可以进行超精确的应变测量。然而，也可以考虑基于对光信号的通过时间测量进行分析的光学式测量组件。光学式测量组件的优点是不需要物理传输介质，因此基本上没有力通过测量组件施加在两个部位上。因此，应变测量特别灵敏、精确且无误差。

磁式测量组件可以优选地基于霍尔传感器，该霍尔传感器根据磁场内的位置以及因此根据其所暴露于的磁通量密度而产生不同的电压。因此，在固定的参考磁场的情况下，所测量的电压可以优选地用于确定霍尔传感器相对于该磁场的位置。该测量原理特别地可以用于测量部位之间的距离，该距离可以用于测量应变。本领域技术人员知道如何将该原理实施为用于单轴应变测量的测量组件。为了实施测量组件，也可以优选所谓的磁弹性传感器。这些基于当合适的材料的长度改变时磁导率改变的原理。

电容式测量组件也是优选的。这些是基于当电容器板(电极)之间的距离改变时电容器的电容的可测量变化的原理。除了缺少物理传输介质并且基本上完全没有在各个部位中的测量组件的侧面/端部之间施加的力之外，该测量方法的特别优点是该测量原理的多功能性。可以想到多种不同的实施方式，例如以在测量组件的每一侧上的每个部位形有一个电容器板的形式；但是也可以想到(MEMS)梳状结构，诸如DE 10 2017 206 183A1中的那些。根据实施方式，梳齿重叠和/或梳齿间隙可以被改变。

在本发明的另一优选实施方式中，测量组件包括弹簧结构，该弹簧结构被配置成用于电阻式应变测量，优选述地用于压阻式、压电式和/或电容式应变测量。

弹簧结构优选地是技术弹簧形式的弹性结构。其中，例如可以使用弯曲弹簧和/或扭力弹簧形式的结构。弯曲弹簧的示例是板弹簧，而扭力弹簧的示例是螺旋弹簧。该弹簧结构优选地存在于两个部位之间并且将所述两个部位连接。在这种情况下，弹簧结构优选地可移动地支撑，使得物体上的应变测量优选地基本上不受经由接合区从弹簧结构传递到物体的力的限制。弹簧结构优选地是在与物体接合并被激活之后在应变测量结构内的这些部位之间的唯一连接。弹簧结构的所有优选实施方式的共同点在于，它们可以通过应变、弯曲、剪切和/或扭转而弹性变形。特别优选的是，在一方面，它们在测量组件的测量范围内具有足够的张力，使得应变导致弹簧结构的形状发生可测量的变化，该变化优选地与应变成比例，而在另一方面，它们具有足够的弹性和柔软性，以至于施加到弹簧结构上的应变和/或压缩仅会导致作用在该部位上的较小的返回力，这可能会抵消物体的应变并使测量结果失真。具有弹簧结构的测量组件优选地被配置成用于电阻式应变测量，优选地用于压阻式、压电式和/或电容式应变测量。这尤其意味着，可以通过电阻式应变测量，优选地通过压阻式、压电式和/或电容式应变测量来测量由应变引起的弹性结构的形状变化。

在一种实施方式中，弹簧结构例如被设计为螺旋弹簧。弹簧本身可以由可以通过(压电)电阻和/或压电方式来测量弹簧的压缩和/或伸长的材料制成。然而，部位也可以位于优选的丝状元件的外壁中，该丝状元件形成螺旋弹簧状结构，使得该部位可以通过(压电)电阻和/或压电方式测量应变。还可以考虑电容式测量组件，其中例如，外壁包括电极，该电极在弹簧结构压缩或伸展时测量丝状元件的逐渐变细或放大的区域。优选地，也可以想到螺旋弹簧状的结构细分成包括电极的部段和位于电极之间的部段(优选地包括电介质)。

本领域技术人员知道，其间存在弹簧结构的部位之间的距离的改变优选地不会导致弹簧结构的长度成比例地变化，如在部位之间的线性的、一维结构的情况下，但是由于弹簧结构的应变、弯曲、剪切和/或扭转而导致弹簧结构的形状发生变化。因此，本领域技术人员知道，当评估应变测量时，例如，包括基于上述原理的弹簧结构本身的应变测量，如果要推断物体本身的应变，则必须考虑形状的这种变化。因此，优选执行适当的转换。然而，优选的是，在应变测量的测量范围内可以忽略该影响，使得以这种方式进行的弹簧应变的测量基本上与物体本身沿测量轴线的应变成比例。还可以优选的是，借助于弹簧结构的电阻应变测量，优选地压阻式、压电式和/或电容式应变测量能够检测由于弹簧结构本身的应变、弯曲、剪切和/或扭转而引起的弹簧结构的形状变化，例如，借助于(压电)电阻、压电和/或电容元件的适当布置和/或适当的分析，该适当分析特别是基于理论考虑和/或先前的测量/校准。

这样的测量组件是由于基本上自立(除了附接至接合部位)的柔软结构而具有超弹性，并且因此也对待测量物体的最小应变高度敏感。

在本发明的另一优选实施方式中，测量组件包括弹簧结构，其中所述弹簧结构是具有两个或更多个弯曲点的线性形成部，并且其中，被配置成用于应变测量的弯曲点中存在压阻式、压电式和/或电容式部位。

弯曲点或弯曲部位优选地表示其中线性弹簧结构具有曲率，即局部偏离于笔直的延伸的部分。特别优选地，线性弹簧结构在弯曲点处经历方向的改变。因此，弯曲点优选地也可以被称为转弯点，并且赋予弹簧结构其弹性。例如，弯曲点可以通过张角来表征，张角的大小由作用在弹簧结构上的力预先确定。张角优选地表示线性弹簧结构的进入弯曲点和离开弯曲点的部位之间的角度。线性弹簧结构的进入弯曲点和离开弯曲点的部位也可以优选地称为腿部(leg)。通过增大外部张力，弹簧结构经历了腿部的张开并且在弯曲点处张角增大。在较低的拉力的情况下，腿部之间的张角较小。弹簧结构在弯曲点处的张开优选地沿着弹簧结构的纵向方向在承载件的平面中以相应增大的张角进行。

根据本发明，已经认识到弯曲点处的应变测量是特别敏感的。当弯曲点的长度发生变化时，线性弹簧结构的形状变化最大。例如，可以相对于弯曲点限定内部部位和外部部位。内部部位优选地是指弯曲点的面对进入和离开腿部的部位，而外部部位是相反的一侧。当弹簧结构被拉紧时，内部部位伸展而外部部位被压缩。

借助于压阻式、压电式和/或电容式测量方法，可以以高灵敏度确定弯曲点的压缩和伸展。例如，通过掺杂半导体弹簧结构的侧壁，可以提供局部半导体应变仪，其精确地检测弹簧结构在弯曲点处的压缩或伸展。作为在弯曲点处的形状变化的局部测量的结果，局部伸展和压缩有利地不被平均，如从上方应用的经典应变仪的情况。

另外，在弯曲点处的测量部位在相同温度下位于相同位置。因此，在弯曲点处所测量的敏感部位的压缩或伸展非常可靠地反映了弹簧结构的应变，而测量结果不受温度波动的影响。

弹簧结构的线性结构特别优选地具有曲折形状和多个弯曲点。弹簧结构的特征在于线性结构绕其缠绕的直的纵向轴线或对称轴线。弹簧结构的转弯标记弯曲点。例如，弹簧结构可以是螺旋弹簧。

弹簧结构的曲率优选地也可以位于一个平面中。在这种情况下，线性弹簧结构基本上位于一个平面中并且具有围绕纵向轴线的弯曲延伸，其特征在于多个转弯点或弯曲点。弹簧结构所在的平面优选对应于由承载件所安装的平面(参见图1至图5)。

多个弯曲点优选地指至少2个、3个、4个、5个、10个、15个、20个、30个、40个、50个或更多个弯曲点。通过测量在多个弯曲点处的弹簧结构的形状变化，可以以特别高的精度确定弹簧结构的整个应变。

在本发明的另一优选实施方式中，测量组件包括间隙，该间隙被配置成用于电容式和/或光学式应变测量。该间隙尤其位于测量组件位于其之间的部位之间。如果间隙与电极一起形成电容器，则间隙特别地为电容式测量组件构造，该电容器的电容根据部位之间的距离而可测量地改变。本领域技术人员知道如何测量电容本身。例如，可以通过以恒定电流充电并测量电压上升速率、测量LC振荡电路的谐振频率和/或向电容器施加交流电压并测量电流曲线来完成此操作。

在优选形式中，间隙本身由电极(电容器板)形成，并直接确定所得电容器的电容。电极优选地可以直接应用于承载件的各个部位上。还可以优选的是，在所述部位之间具有分开的弹簧结构，所述分开的弹簧具有涂覆的端部，在所述涂覆的端部之间具有间隙，该间隙基本上构成了电容式测量组件。这种测量组件可以以特别简单的方式实现；由于基本上完全没有在各个部位的测量组件的两侧/端部之间施加力，因此应变测量特别准确且无误差。

在本发明的另一优选实施方式中，弹簧结构是MEMS弹簧结构，优选地是半导体MEMS弹簧结构，其在侧壁上具有至少一个掺杂部位，该掺杂部位包括半导体应变仪。

通过对MEMS弹簧结构的侧壁进行掺杂，可以产生和/或增强压阻特性，其适合于局部应变测量。例如从WO 2010139034 A2中已知在侧壁中具有掺杂区的半导体MEMS结构，由此产生压阻部位。在现有技术中，它们被用作传感器，用于测量存在它们的MEMS部件的应力。这得益于为MEMS技术构造半导体的可能性，例如，高设计灵活性、传感器的高灵敏度、MEMS结构的无材料疲劳、与CMOS技术的兼容性、生产技术的普遍性以及由于集成传感器而导致的结构的简单性。在该优选实施方式中，现在将这些部位集成到弹性结构中，特别是弹簧结构中，使得它们可以用作用于测量外部物体上的应变的测量组件。由于可以非常好地生产出优选的半导体材料，特别是硅，并且对高度敏感的测量具有良好的压阻特性，但通常具有很高的固有刚度，因此特别优选的是，半导体MEMS结构借助于特殊结构，特别是借助于弹簧结构，使半导体MEMS结构具有足够的弹性，使得测量组件本身基本上不会对待测量物体应变的物体施加任何力。弹簧结构特别优选地是具有两个或更多个弯曲点的线性形成部，其向半导体MEMS结构赋予弹性。

MEMS结构特别是微系统的结构(微机电系统，简称MEMS)，其结构非常紧凑，尺寸在(亚)微米范围内，同时由于标准化的制造技术而具有出色的功能和较低的制造成本。指定微米范围优选地表示具有在1μm和1000μm之间的特征延伸的尺寸范围。优选的MEMS弹簧结构可以例如具有在10μm和1000μm之间的长度，其横向延伸小于100μm，优选地小于50μm，特别优选地小于10μm。

优选的是，半导体应变仪经由掺杂部位实施在弹簧结构的侧壁中，从而经由应变和/或变形测量实现测量组件的单轴应变测量。弹簧结构的侧壁特别是基本上为线形和/或条形结构的外壳的部分，其借助于合适的布置形成线性构造，例如螺旋弹簧结构。多个掺杂部位可以沿着弹簧的纵向以彼此平行或以彼此相反的条的形式存在。这些可以存在于弹簧结构的部位中或沿着弹簧结构的整个长度。

掺杂部位特别优选地位于弹簧结构的弯曲点中。如上所解释，当测量组件被拉紧时，弹簧结构会局部压缩或伸展，特别是在弯曲点处。当弹簧结构被拉紧时，弹簧结构的内部部位或侧壁优选地伸展，而外部部位或侧壁优选地被压缩。指定“内部”部位和“外部”部位优选地涉及弹簧结构的纵向轴线或对称轴线，弹簧结构围绕该纵向轴线或对称轴线具有弯曲的形状并具有相应的弯曲点。

特别优选地，在空间上彼此靠近的两个部位总是被安装在半桥式件中，并且特别地，在空间上彼此靠近的四个部位被安装在全桥式件中。惠斯通电桥是本领域技术人员公知的用于应变仪的测量装置。如果在全桥式件中存在弹簧结构的四个在空间上彼此靠近的半导体应变仪，则可以特别补偿作为应变测量中的误差源的温度漂移，因为它优选地对所有半导体应变仪具有相同的作用。特别地，由于紧凑的MEMS设计，半导体应变仪会受到温度变化等相同的物理影响。因此，可以在全桥式件中补偿这些影响。

在(半导体)MEMS弹簧结构的情况下，嵌入的半导体应变仪可以位于例如弹簧结构侧壁的两个到四个相反的侧面上，这些应变仪优选由适当的半导体的掺杂部位来实施，其中例如，具有缠绕线的形状(其优选地具有基本上圆形或矩形的横截面)。如果应变测量结构的两个部位之间的距离由于待测物体的应变而改变，则MEMS弹簧结构被拉紧，其中该应变也传递至其侧壁中的半导体应变仪，并因此可以通过半导体应变仪来测量。特别是当半导体应变仪位于弹簧结构的弯曲点时，可以实施非常无故障且灵敏的应变测量。

在这种情况下，可以通过例如适当的放大来推测物体在由测量组件测量的轴线或方向上的总应变。类似的，具有相反的半导体应变仪的多个点可以优选地位于MEMS弹簧结构的侧壁的各个侧面中。连续的半导体应变仪也可以优选地沿着纵向方向存在于弹簧结构上。

这种应变测量结构由于具有灵敏的机械测量结构而非常敏感，特别是当半导体传感器以全桥式件形式实施时，并且由于在相同的温度和/或相同的应力下，以相同的尺寸并利用相同的技术测量电阻器，因此具有超高精度。

MEMS结构的非常小的形状因子特别允许集成用于局部多轴测量的多个应变仪，由此可以有利地确定完整的应力张量。因此，特别地，优选地提供两个或更多个MEMS弹簧结构，其将承载件的不同部位彼此连接，以确保多维应变测量。与经典的应变仪相比，MEMS结构的特征在于微米范围内的极小尺寸。MEMS弹簧结构在各个轴线上的空间接近性降低了由于可能的温度波动而引起的测量误差。

这样的结构在应变测量中具有令人惊讶的温度补偿和线性，而同时具有可忽略的刚度，这是因为迄今为止现有技术中优选的半导体，特别是硅结构不具有这些特性。

此外，由于弹性(>106比例间隔)，可以在较长的距离上实现更大的并因此改善的动态测量范围。由于尺寸小且所产生的结构的低惰性，可测量的应变的变化范围也非常大。利用半导体MEMS测量组件，可以实现比电阻测量组件高出很多倍的k因子(约100而不是约2)。此外，由于该基本思想的多样的设计选择以及由于复杂的制造技术，特别是对于半导体(硅)MEMS结构，该优选变型的应变仪在设计上特别灵活。由于弹簧结构在较大的压缩或伸展范围内具有弹性，因此可以实施弹簧结构使得在较宽的测量范围内具有很高的灵敏度。与现有技术的用于应变测量的装置相比，在整个测量范围内，信号的线性度也得到了极大的改善。优选的半导体结构，特别是硅或硅结构由于其材料并由于结构而无疲劳，这改善了装置的坚固性和寿命。优选的应变测量结构对在优选的测量方向和/或平面之外的物体伸展具有很高的抵抗力。此外，由于具有许多自由度的极大设计自由度，极大地改善了对实验参数进行精细控制的可能性。常规材料和生产装置可以用于生产中。

由于压电电阻器直接位于弹簧结构中，因此应变测量结构特别紧凑。与现有技术的用于应变测量的装置相比，具有掺杂部位的半导体MEMS结构的噪声被大大改善。该生产特别与标准CMOS技术兼容，从而降低了生产成本并节省了时间。可以使用通用制造技术，这使生产更加便宜、节省了材料成本并在生产中保持了高度的灵活性。这导致在大量产品上的低生产成本，以及在MEMS技术中易于实现的批量生产。

在本发明的另一优选实施方式中，(半导体)MEMS弹簧结构包括至少四个安装在至少一个全桥式件中的半导体应变仪。在用于全桥式件(代替通常仅有一个应变仪)中的应变测量的测量组件中，通过四个有源“传感器”进行了物理温度补偿，因为“测量电阻器”(半导体应变仪)在相同温度下位于最小空间中。结果是用于测量组件的几乎理想的特性曲线。四个半导体应变仪也承受基本上相同的机械应力量。这导致灵敏度、偏移量、线性度、比例因子温度系数(SFTC)和/或零温度系数(ZTC)得以改善。TC通常代表温度系数；TCR特别描述了电阻随温度变化的系数(在现有技术中，对测量产生不希望的但在物理上不可避免的影响-在现有技术中，有时信号的影响要比应变的测量高)。在该实施方式中，TCR经由测量桥来补偿，因为在此具有不同符号的电阻变化是信号有效的，并且相同的变化彼此抵消。在当前情况下，由于测量电阻器在空间上的接近性，这特别有效。理论上，电桥输出电压的温度系数SFTC或载荷上的相对电桥输出电压的温度系数(灵敏度)应为零，但在现有技术中，由于几何不对称和各个电阻器的实际温度的不同，温度系数SFTC通常不为零。由于这些不对称性，在载荷零点同时发生不希望的信号偏移(尽管没有载荷，电桥输出也不等于零)。这也取决于温度并且具有温度系数ZTC，这反过来使电子或数字补偿更加困难。由于全桥式件中测量电阻器的空间接近性，在所描述的实施方式中，这些温度系数得到了极大的改善。

在该实施方式中，可以实现确定局部应力张量的高精度且改进的精度。由于该结构非常小，因此在应变测量中可以实现较小的横向梯度误差；所有的测量传感器(半导体应变仪)基本上都在一个平面(测量组件所在的平面)中，从而可以避免由于多层系统的“平面外”应力降低而产生的误差。在现有技术中，在一个桥中具有多个应变仪仅以应变仪的应变花的形式已知，由于它们的大尺寸和在不同位置的布置，它们存在于不同的方向上并且经受不同的载荷和/或温度。因此，就灵敏度和最小化误差而言，这些是现有技术的电桥布置不可比的。

在本发明的另一优选实施方式中，测量组件的基板选自半导体材料，优选地选自硅、单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓和/或磷化铟。这些材料在半导体和/或微系统生产中特别容易且廉价地加工，并且也非常适合批量生产。这些材料还特别适合于掺杂和/或涂覆，以便在某些部位中实现所需的电性能、热性能和/或机械性能。

可以有利地使用添加剂的微生产方法对材料进行微结构化和/或生产。

在本发明的另一优选实施方式中，测量组件包含聚合物。包含聚合物的测量组件特别地简单且制造便宜，同时坚固且维护成本低。聚合物的使用特别适用于简单且廉价的标准应变测量结构

在本发明的另一个优选实施方案中，承载件包含聚合物。框架结构特别是指基本上由平坦部位的连续的外部边界形成的结构，其中平坦部位保持自由并围绕该表面。框架结构优选是稳定且刚性的。在角形框架形状(三角形、四边形或大体上多边形的轮廓)的情况中，优选地基本上形成框架结构的各个边缘是特别地称为支柱。框架结构优选是在平面内的拐角点处彼此连接的支柱的四边形布置。预定断裂点可以优选地位于框架的拐角处，但是特别是位于支柱上的任何点处，并且将框架分开成不同的部位。框架结构为布置一个或更多个测量组件提供了特别多样的可能性，所述测量组件优选地从一侧到另一侧跨越框架并且存在于至少两个部位之间。同时，包括框架结构的应变测量结构特别轻且也坚固。框架结构特别地适合于沿着物体的表面改进应变测量，特别是对位于二维平面中的表面改进应变测量。

在本发明的另一优选实施方式中，框架结构包括至少三个部位，其中，测量组件存在于每个部位与至少另一个其他部位之间，其中应变测量结构是应变测量的应变花，该应变测量的应变花被配置成用于多轴线应变测量。从现有技术中已知在不同方向上具有多个应变仪的应变测量的应变花。使用此类应变花可以完全确定双轴应力/应变状态。现有技术中已知的布置是45°直角应变花和60°三角形应变花。与现有技术中已知的应变仪的应变花相比，布置在不同方向上的不是应变仪，而是测量组件。它们可以具有多个用于应变测量的单独的测量传感器或元件，如上面已经针对MEMS弹簧结构的半导体应变仪所描述的那样，例如所述半导体应变仪可以存在于单个测量组件内的全桥式件中。在本发明的应变仪的应变花的情况下，至少两个测量组件可以以现有技术已知的方式布置，所述至少两个测量组件连接了激活后不再直接彼此连接的应变测量结构的至少三个部位，所述至少三个部位分别结合至物体的表面，因此实现了高水平的测量灵敏度。由于应变仪的应变花的优选地紧凑设计，因此可以对物体在平面的不同方向上的应变做出非常精确的陈述。

在本发明的另一优选实施方式中，所述承载件包括框架结构，所述框架结构形成了内部部位的连续的外部边界，并且其中，所述框架结构包括至少三个部位，所述至少三个部位由预定断裂点分开，并且其中，框架结构的至少一个部位借助于测量组件与至少两个其他部位连接。框架结构能灵活地提供不同的应变仪的应变花，以便确定物体的二维应变。

测量组件特别优选地是MEMS弹簧结构，例如其由半导体材料以线或丝的形式形成，并且其在弯曲点处的应变可以高精度地确定。MEMS弹簧结构的使用允许在最小的空间内提供用于多轴线应变测量的传感器。在这种情况下，优选利用以下事实：MEMS弹簧结构的形状在它们的弯曲点上改变。特别地，当MEMS弹簧结构由半导体材料形成时，它们自身是脆弱的和易碎的。框架结构有利地确保了用于处理应变测量结构的高水平的稳定性，特别是在将应变测量结构附接至待测物体之前。如上所述，在将应变测量结构接合到物体上之后，激活预定断裂点，使得框架结构分开为限定的部位，并且测量组件以高精度来检测物体的二维伸展。

在上述应变仪的应变花的优选实施方式中，框架是矩形的，并且框架的四个支柱包括预定断裂点，这些断裂点大致位于横向于支柱的纵向方向的中央的位置。因此，框架优选地被划分成四个部位，各自的测量组件位于三个部位与第四部位之间，即，总共三个组件，所有三个组件在框架的第四部位的拐角具有侧面/末端，并且在其他三个部位的每个部位中每个组件延伸到框架结构的其他三个拐角之一。测量组件像现有技术中的45°直角应变花一样布置，彼此之间的角度距离为45°。还可以优选的是，矩形框架结构可以通过预定断裂点划分成三个部位，其中第一部位由框架结构的支柱形成，而其他部位均由L形元件形成，其他部位中的每个部位都包括另一支柱和垂直于所述支柱布置的支柱的一半。这三个测量组件优选地位于各自的L形元件的拐角与形成第一部位的支柱的中心之间，并且优选地形成类似于现有技术的60°三角形应变花的测量组件。

如上所述，每个单独的测量组件可以具有多个单独的测量传感器或用于应变测量的元件，诸如例如上述的半导体应变仪。这些特别可以存在于全桥式件中。以这种方式，即使对于待测量物体的多轴线/多维应变测量，也可以提供非常灵敏且明显改善的应变测量。测量组件还可以包括多个全桥式件，从而可以进一步改善多维应变测量。

在本发明的另一优选实施方式中，测量组件在框架结构中的对准被配置成用于补偿(优选，测量组件的)基板的各向异性弹性特性和/或压阻特性。众所周知，优选地，半导体材料并且特别是硅可以具有各向异性的弹性和/或压阻特性。为了确保所述特性不会使测量组件(例如，带有半导体应变仪的半导体MEMS弹簧结构)中的应变测量失真，通过对测量组件进行适当的结构设计和/或对由测量组件进行的应变测量的适当评估，可以将这种影响最小化。但是，根据应用和结构的不同，仍然可能存在会影响应变测量的各向异性。特别是在一个以上的方向上进行应变测量的情况，由于测量组件随后同样可以经历应变，即不仅沿优选轴线的伸展和/或压缩。由于应变仪的应变花通常用于这种测量，因此各向异性可以优选地通过测量组件的单独布置或对准来补偿，这可以补偿各向异性。对准可以优选地包括在测量组件与有角框架结构的边缘的平行线之间存在的角度。同样地，可以优选地以在对准的测量组件和应变仪的应变花的标准测量组件之间形成的角度的形式来规定对准。本领域技术人员知道如何布置测量组件以补偿各向异性。测量组件的各向异性基本上是已知的，并且取决于材料和/或结构。具有某些性质的各向异性优选地以张量的形式给出。还已知进行应变测量的优选方向。因此，本领域技术人员可以优选地在计算机上进行计算和/或模拟，借助于该计算和/或模拟，可以发现测量组件的优选配置，特别是应变测量的应变花的测量组件的对准，尤其是以角度的形式，借助于这种对准可以补偿各向异性。

在本发明的另一优选实施方式中，承载件的基板选自半导体材料的组，优选地选自硅、单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓和/或磷化铟。这些材料在半导体和/或微系统生产中特别容易且廉价地加工，并且也非常适合批量生产。由于材料和/或制造方法，可以令人惊奇地灵活地制造出承载件结构。特别是与还包括半导体材料的测量组件的基板有关，特别简单的生产和/或生产用于测量组件和承载件的单个通用基板是可能的，由此进一步简化了生产并且降低了成本，并且由此可以提供特别紧凑、坚固和/或挠性形的应变测量结构。

在本发明的另一个优选实施方案中，承载件包含聚合物。以这种方式，可以制造便宜且简单的应变测量结构，特别是与同样由聚合物制成的测量组件结合在一起的情况。

在本发明的另一优选实施方式中，承载件被配置成用于机械激活和/或热激活。激活优选地描述了承载件分开和/或受控地断裂成部位。分开优选地应当在应变测量结构已经接合到物体上之后进行，从而保持装置的基本结构，其中该布置随后不是通过承载件而是通过接合到物体的部位保持在一起。各个部位优选地随物体的应变表面一起移动，其中，该伸展可以借助于测量组件在部位之间进行测量。承载件的分开和/或受控地断裂优选地应通过在预定断裂点处有针对性地引入的力和/或能量来实现，其中，承载件和/或预定断裂点被配置成由于添加能量和/或力的形式而屈服。如果提供机械激活，则预定断裂点优选地由支撑结构在预定断裂点处的逐渐变细的区域和/或部分贯穿来配置，使得例如，以压力的形式和/或通过切割的形式的目标机械力提供该弱化结构沿着预定断裂点的屈服和/或分开。此外，被配置成用于机械激活可以优选地意味着，应变测量结构包括装置，特别是致动器，借助于该装置可以触发机械力。致动器可以例如选自：静电式致动器、压电式致动器、电磁式致动器和/或热致动器。致动器特别地可以是MEMS致动器。致动器还可以优选地被配置成用于由控制装置激活。机械激活特别容易控制。

热激活也可以是优选的。例如，这可以通过在预定断裂点处的加热丝来实现。该材料本身也可以被配置成用于借助于在预定断裂点处的承载件结构的逐渐变细的区域和/或部分贯穿进行热激活。特别地，承载件材料和/或预定断裂点的材料适合于确保承载件由于引入的热能而在预定断裂点处熔化或断裂。在一些实施方式中，预定断裂点可以由与承载件的其余部分不同的材料组成。例如，借助于将待加热的材料进行热激活可以被配置为通过控制装置来激活。热激活也可以例如通过激光来实施，当激光在预定断裂点被吸收时，激光的辐射提供热能。通过热能来激活是特别容易实施的。同样地，热激活优选地对物体和/或其余的应变测量结构特别温和并且使测量失真很小。

在本发明的另一优选实施方式中，承载件包括用于热激活的至少一个电加热元件。电加热元件优选是通过施加电压和/或电流以焦耳效应形式产生热量的元件。优选地，电加热元件包括MEMS加热元件，其由精细结构化的导电材料形成，例如以涂层的形式构成。加热元件优选地包括用于电控制的触点。这样的加热元件可以以特别简单和紧凑的方式实施。

在本发明的另一优选的实施形式中，承载件被配置成用于电接合和/或化学接合。电接合特别地包括焊接、熔化和/或焊合，其通过电能的供应来触发和/或支持。借助于电接合，接合区中的每个部位优选地接合至物体。优选地，承载件的材料，特别是该部位的材料，和/或物体的材料适合于通过焊接、熔化和/或焊合的电接合，其中它们在各自工艺中提供的温度下至少部分地熔化，然后固化，从而优选在该部位的接合区和物体之间建立整体接合的连接。优选地，承载件本身具有呈电导线、电导尖端和/或电极形式的装置，以便熔化、焊接和/或焊合物体。该装置优选地可借助于控制装置来控制，从而使得远程触发的接合成为可能。同样，可以通过新颖的导电粘合剂材料来实现电接合，所述导电粘合剂材料在第一状态下为液态并且通过电流加热，从而可以使其硬化，并且优选地整体接合。电接合也可以借助于控制装置来远程控制，使得即使非常小的和/或难以接近的应变测量结构的接合也非常容易实现。

化学接合特别地包括粘结。本领域技术人员知道哪种粘合剂适合于接合某些材料、环境特性(温度、湿度)和/或表面。化学接合也可以例如通过提供焦耳效应形式的热能(通过电产生)和/或电磁辐射例如借助于激光来远程触发，所述激光优选地使粘合剂硬化。

也可以使用由来自激光的电磁辐射以熔化、焊接和/或焊合的形式提供的能量直接接合。特别是在电触发的和/或激光触发的接合的情况下，特别是在单个工艺中可以实施集成的装置并且激活以及接合。

所谓的反应性接合是特别优选的。反应性接合特别是指用于电气或微系统技术中的方法，其中使用了所谓的反应性多层的特殊性能。反应性多层包括材料层的堆叠，优选地为几纳米厚，该材料层在合适的，优选地为热的激活(燃烧)时可以释放热能以用于放热反应中的焊接工艺。该反应优选导致形成合金，其中释放的能量导致层系统被加热。结果，优选地熔化焊料层，以便在两个接合搭配件之间进行焊接工艺。在这种情况下，优选将接合搭配件压在一起，以改善所得到的经焊接的连接。优选使用的反应性多层(Ni/Al和Pd/Al多层，具有或不具有额外的焊接层)特别是通过溅射生产。然后优选地通过光刻和湿化学刻蚀工艺、剥离方法和/或借助于激光来构造反应性多层。反应性多层的燃烧优选地由电火花引发。优选地包括用于产生电火花的合适的装置，其中特别优选地，其可以由控制装置(外部)控制。通过这种方法，热能的极短的暴露时间导致在接合元件上的极低的热负荷，并且还可以有利地接合温度敏感的物体。此外，这导致在接合工艺之后较低的机械应力，这改善了应变测量。反应性层优选地可以用激光来构造，由此令人惊奇地，也可以实现复杂的几何结构。此外，所接合的连接优选是金属的，并且特别是长期机械牢固且稳定的，并且具有良好的导电性和导热性。

该实施方式，特别是借助于电提供热能的接合，可以大大简化传感器的安装。特别地，MEMS应变仪的应变花优选地同时被电激活，即，芯片框架由于电加热而断裂。结果，应变测量结构在其处理方面是坚固的，因为激活仅在被安装(并接合)在物体上之后才发生。以此方式，可以提供具有高灵敏度的坚固的多轴线半导体应变仪，其可以电接合(也可以远程控制)并且优选地还可以借助于电控制来激活。因此，优选特别简化处理；可以部分省去材料和处理的成本，特别是对于典型的粘结而言。创建了即插即用的应变测量结构，该结构可以立即安装而无需固化时间(应用、接通、完成)。

在本发明的另一优选实施方式中，承载件被配置成用于电能的无线传输和/或电接触。在该实施方式中，电能将在应变测量结构与评估和/或控制装置之间传输。电能的传输优选地满足下面目的中的至少一个：通过传输电信号来控制和读出测量组件；触发接合，例如通过传送电能以在接合区中局部提供热量；和/或例如借助于致动器或经由焦耳效应对应变测量结构进行电控制激活。电接触优选地可以通过电线和/或电缆直接传输电能来完成，其中，承载件包括用于电接触和/或布线和/或在承载件本身上的导体迹线的合适的接触件，例如，将承载件与待读出的测量组件连接。同样，电能可以优选地例如通过电磁辐射无线地，特别是感应地和/或电容地传输。为此，除了内部布线和/或导体迹线之外，承载件可以具有至少一个电极和/或线圈，用于电容和/或感应式电能传输。控制和/或评估装置可以优选具有合适的配对物。

控制和/或读出装置优选地包括处理器，例如微处理器。也可以使用在数字电子设备中用于控制的其他集成电路。优选地，相对于信号的可传输带宽等选择电能的传输，使得例如可以以适当的测量精度和/或速率来读出测量组件。

在该实施方式中，可以以特别简单的方式在外部控制，即特别是接合、激活和/或读出应变测量结构。该结构本身可以特别紧凑并且可以位于待测量物体上难以接近的位置。

在另一方面，本发明涉及用于生产根据上述的应变测量结构的方法，该生产方法包括以下步骤：

-对用于承载件和/或测量组件的基板进行刻蚀；

-优选地，对承载件和/或测量组件进行结构化；

-优选地，对测量组件的侧壁进行掺杂，以用于集成至少一个半导体应变仪；

-优选地，对承载件进行电接触。

例如，上述优选的材料之一可以用作基板。在刻蚀期间，可以使胚料(例如晶片)成为应变测量结构的期望的基本形状。在下一步骤中，优选地对测量组件的各部分进行掺杂，使得创建至少一个压阻式部位。如果需要结构的进一步结构化，则这可以例如通过进一步的刻蚀工艺来进行。也可以沉积附加的材料。

可以通过通常使用的方法将诸如铜、金和/或铂的合适材料附加地沉积在导电材料上。为此，可以优选使用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或电化学沉积。

以此方式，可以生产特别精细结构化的应变测量结构，例如MEMS结构，其优选地具有微米范围内的尺寸和期望的功能特性。这些制造步骤也被证明是特别有效的，并且是半导体加工中标准方法步骤的一部分。

在生产方法的优选的实施方案中，刻蚀和/或结构化选自：干刻蚀、湿化学刻蚀和/或等离子刻蚀，特别地，选自包括：反应性离子刻蚀、深度反应性离子刻蚀(玻什工艺，Boschprocess)；以及/或者掺杂方法选自：扩散、离子注入和/或中子嬗变掺杂。

这些方法特别适合于生产尺寸在微米范围内的精细结构和/或用于半导体加工和/或掺杂。特别地，玻什工艺可以生产出具有高长宽比的非常精细的结构，这对于功能性的、紧凑的和高效的结构是极为有利的。

在另一方面，本发明涉及一种系统，该系统包括：

a)先前描述的应变测量结构；

b)控制装置

其中，所述控制装置被配置成用于读出所述测量组件，并且优选地所述控制装置被配置成用于应变测量结构的电接合和/或激活以及/或者化学接合和/或激活。

控制装置优选地使能输入并且将该输入转换为合适的控制信号。输入例如可以是用于接合、用于激活和/或用于控制测量组件的信号。然后，控制装置首先生成相应的模拟电信号，并将其传递到结构上。同样地，控制装置优选地使得能够将测量组件的输出信号用作输入信号，该输入信号被前者转换成可以被评估的测量信号。以这种方式，这些信号可以优选地例如以数字形式被传送到计算机以进一步评估和/或储存。读出可以包括采样和/或转换(例如，模数转换器)。例如，可以将例如呈电压形式的模拟测量信号转换成数字信号，以通过PC进行评估。

使用这种包括合适的控制装置的系统可以大大简化应变测量结构的期望的使用。控制装置优选地位于外部，与应变测量结构相距一定距离，其中，该结构与控制装置之间的传输可以是无线的和/或有线的。控制装置也可以集成在应变测量结构上。特别是集成到发射器中的控制器形式的控制装置非常紧凑并且易于使用。该控制装置优选地具有例如用于连接到计算机的合适的接口。可以在控制装置和结构之间传输其他数据，诸如结构的当前温度数据，其他状态信息以及用于打开和关闭应变测量结构的信号。

在另一方面，本发明涉及一种用于测量物体上的应变的方法，该方法包括：

-提供如上所述的应变测量结构或系统；

-将应变测量结构接合至物体；

-激活应变测量结构；

-读出至少一个测量组件。

本领域普通技术人员认识到，根据本发明的应变测量结构和系统的优选实施方式的技术特征、限定和优点也适用于根据本发明的方法。优选地，可以经由控制装置自动地和/或控制连接、激活、读出的多个步骤，特别是所有步骤。

在另一方面，本发明涉及根据以上描述的应变测量结构或系统在对物体上的应变进行测量中的用途。在此，本领域普通技术人员认识到，根据本发明的应变测量结构和系统的优选实施方式的技术特征、限定和优点也适用于根据本发明的方法。特别地，应变测量结构使得能够进行出乎意料的精确和无误差的应变测量。优选地，甚至可以测量非常小的物体和/或物体的表面。现在，即使是难以进入的地方，例如在物体内部，也可以特别轻松、精确地进行测量。还可以以前所未有的精确度进行测量，这是现有技术中未知的。这主要是由于以下事实：每个部位可以经由接合区单独接合到物体，并且应变测量结构基本上不对待测量物体施加任何影响应变测量的力。

详细描述

在下文中，将基于示例和附图来解释本发明，但本发明不被限制于此。

附图说明

图1是应变测量结构的俯视图的示意性表示。

图2是接合至物体的应变测量结构的侧视图的示意性表示。

图3示意性地示出了具有弹簧结构的应变测量的应变花的布置。

图4示意性地示出了在侧壁中具有半导体应变仪的半导体MEMS弹簧结构。

图5示意性地示出了应变测量的应变花对测量组件的基板的各向异性特性的适应。

具体实施方式

在右侧，图1示出了应变测量结构1的俯视图的示意性表示。它可以经由接合区13连接到物体11，并且可以例如经由物体11的表面在其上进行应变测量。结构化承载件3具有框架结构14。该框架形承载件3具有四个预定断裂点9，这些预定断裂点将框架结构分成四个部位7。所有部位可以在相应的接合区13处分别接合到待测量物体11。部位7应在未接合状态下在预定断裂点9处保持在一起。仅在应变测量结构1已经接合至物体11之后，承载件3才沿着预定断裂点9分开(激活)到部位7中。如图所示，具有弹簧结构10并且可以沿弹簧结构10测量应变的测量组件5存在于每个部位与至少一个其他部位之间并且将两个部位连接。以这种方式形成应变测量的应变花15。物体11的沿被测表面在任何方向上的应变通过相应的测量组件5(弹簧结构10)进行测量，该应变由于部位7之间的距离变化而是明显的。物体11的应变的总体图是通过对由各种测量组件5测量的应变的评估得出的。这是45°直角形应变花，这通过测量组件5的布置可以清楚地看出。

在图1的左侧，示意性地示出了现有技术的45°直角应变测量的应变花15，其具有彼此成45°角布置的应变仪5。

图1左侧的图示旨在说明现有技术中应变仪的取向，而非说明任何尺寸关系。根据本发明的应变测量结构1，特别是当使用MEMS弹簧结构10时，可以具有比现有技术的应变仪明显更小的尺寸。

图2示出了接合至物体的应变测量结构1(右)的侧视图的示意性表示。左侧示出了现有技术的测量组件5。该测量组件5被粘结在待测量物体11(例如基板)的整个表面上。这里的缺点是粘合剂本身具有一定的刚度，该刚度会使测量失真。

另一方面，在根据本发明的应变测量结构1的情况下，承载件3的被至少一个预定断裂点9分开的各个部位7分别在它们各自的接合区13处接合至物体11的表面上。从本质上讲，它不是如现有技术中那样的胶粘剂的刚度，而是由测量组件5测量的物体11的实际应变。为此，在接合之后，通过在预定断裂点9处将承载件3分开成部位7来激活应变测量结构1。

图3示意性地示出了具有弹簧结构的应变测量的应变花的另外布置。这是所谓的60°三角形应变花，因为其基本结构也是现有技术中已知的(图中左侧)。呈弹簧结构10形式的测量组件5表示由三个预定断裂点9中断的承载件3的三个部位7的连接，该三个预定断裂点9呈等边三角形形式的框架结构14。

图4示意性地示出了在弹簧结构的侧壁19中具有半导体应变仪21的半导体MEMS弹簧结构12。右侧为(半导体)MEMS弹簧结构12形式的左侧测量组件5的放大部分，该右侧示出了在两个相反侧上嵌入侧壁19中的半导体应变仪21。这些可以例如通过半导体的合适的掺杂部位17来实现。如图所示，半导体或应变仪21的掺杂部位17优选地在弹簧结构10的弯曲点25处实施，该弯曲点25对弹簧结构10的长度变化特别敏感地反应。

如果应变测量结构1的两个部位7之间的距离由于待测物体11的伸展而改变，则MEMS弹簧结构12被拉紧，其中该伸展也传递至其侧壁19中的半导体应变仪21，因此可以通过应变测量结构来测量。

特别地，弯曲点25的张开角度增大，其中，存在半导体应变仪21，该半导体应变仪21被配置成测量在该过程中发生的局部压缩或伸展。

如图4所示，优选将各个半导体应变仪21布置在相反的两侧，使得可以测量弯曲点25的内部部位和外部部位的压缩或伸展。内部部位位于所示的弯曲点25的底部，并面对弹簧结构10的纵向轴线27。当弹簧结构10被拉紧时，该部位伸展。外部部位位于所示的弯曲点25的顶部(图4，左)，并且背离弹簧结构10的纵向轴线27。当弹簧结构10被拉紧时，该部位受到压缩。

在弹簧结构10的特别敏感的部位25处对半导体应变仪21的压缩或伸展的测量允许以高精度监测应变测量结构1的改变。在这种情况下，可以通过例如适当的放大来推断物体11在由测量组件5测量的轴线或方向上的总应变。类似地，在MEMS弹簧结构12的侧壁19的各个侧面中可以优选地存在呈掺杂部位形式的多个半导体应变仪21或连续的半导体应变仪21。在最右端，示出了在两个相反侧上嵌入侧壁19中的半导体应变仪21的进一步放大的部分，例如，借助于掺杂部位17来示出。

在图4中标识为应变测量结构21的部位也可以优选地是电容式测量传感器的电极。例如，如果弹簧结构12伸展，则通过材料在纵向方向上的伸长，该结构在横向方向上逐渐变细或变窄。这使板之间的距离更近，这意味着也可以实施电容应变测量。

图5示意性地示出了应变测量的应变花15对测量组件5的基板的各向异性特性的适应。呈弹簧结构10形式的各个测量组件5不像常规的45°直角应变测量的应变花那样布置，而是具有不同的取向23，由角度α表示。这适合于测量组件5的基板的各向异性弹性和/或压阻特性，并且旨在对它们进行补偿，使得在评估测量组件时，结果对应于45°直角应变测量的应变花的结果，该应变花的应变仪不具有各向异性特性。

参考符号列表

1 应变测量结构

3 承载件

5 测量组件

7 部位

9 预定断裂点

10 弹簧结构

11 物体

12MEMS弹簧结构

13 接合区

14 框架结构

15 应变测量的应变花

17 掺杂区

19 弹簧结构的侧壁

21 半导体应变仪

23 取向(角度)

25 弹簧结构的弯曲点

27 弹簧结构的纵向轴线或对称轴线

Claims (19)

1.一种用于对物体(11)上的应变进行测量的应变测量结构(1)，所述应变测量结构(1)包括：

-结构化承载件(3)，

-用于单轴应变测量的至少一个测量组件(5)，

其特征在于：

所述承载件(3)具有至少两个部位(7)，所述至少两个部位(7)通过预定断裂点(9)彼此分开，其中所述测量组件(5)存在于两个部位(7)之间，每个部位(7)能够在接合区(13)中接合至所述物体(11)，并且其中，所述预定断裂点(9)被配置成通过将所述承载件(3)分开为所述部位(7)来激活所述应变测量结构(1)，

其中，所述测量组件包括弹簧结构(10)，所述弹簧结构是具有两个或更多个弯曲点(25)的线形形成部，在两个或更多个所述弯曲点(25)中的每个弯曲点(25)中设置有压阻式部位、压电式部位和/或电容式部位，所述测量组件配置成仅在两个或更多个所述弯曲点(25)处通过所述压阻式部位、压电式部位和/或电容式部位进行局部应力测量。

2.根据权利要求1所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述测量组件包括被配置成用于电容式应变测量和/或光学式应变测量的间隙。

3.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述测量组件包括半导体MEMS弹簧结构，所述半导体MEMS弹簧结构在两个或更多个所述弯曲点中的每个弯曲点处的侧壁(19)中具有至少一个掺杂部位(17)，所述掺杂部位包括半导体应变仪(21)。

4.根据权利要求3所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

在两个或更多个所述弯曲点(25)中的每个弯曲点(25)处，在所述侧壁(19)的相反侧上存在有两个半导体应变仪(21)，使得能够对两个或更多个所述弯曲点(25)中的每个弯曲点(25)的内部部位和外部部位的压缩或伸展进行测量。

5.根据权利要求3所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述半导体MEMS弹簧结构包括至少四个半导体应变仪(21)，所述半导体应变仪(21)安装在至少一个全桥式件中。

6.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述测量组件(5)的基板和/或所述承载件(3)的基板选自半导体材料。

7.根据权利要求6所述的应变测量结构(1)，其特征在于，所述测量组件(5)的基板和/或所述承载件(3)的基板选自：硅、单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓和/或磷化铟。

8.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述承载件(3)包括框架结构(14)，其中，所述框架结构(14)包括至少三个部位(7)，其中，在每个部位(7)与至少另一个其他部位(7)之间存在测量组件(5)，其中，所述应变测量结构(1)是应变测量的应变花(15)，所述应变测量的应变花(15)被配置成用于多轴应变测量。

9.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述承载件(3)包括框架结构(14)，所述框架结构(14)形成了内部部位的连续外部边界，并且其中，所述框架结构(14)包括至少三个部位(7)，所述至少三个部位(7)通过预定断裂点(9)分开，并且其中，所述框架结构(14)的至少一个部位(7)借助于所述测量组件(5)连接至至少两个其他部位(7)。

10.根据权利要求9所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述测量组件(5)在所述框架结构(14)中的对准(23)被配置成用于补偿所述测量组件(5)的基板的各向异性弹性特性和/或压阻特性。

11.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述承载件(3)被配置成用于机械激活和/或热激活。

12.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述承载件(3)被配置成用于热激活，并且所述承载件(3)包括用于所述热激活的至少一个电加热元件。

13.根据权利要求1或2所述的应变测量结构(1)，

其特征在于：

所述承载件(3)被配置成用于电接合和/或化学接合，以用于电能的无线传输和/或电接触。

14.一种用于生产根据权利要求1至13中的任一项所述的应变测量结构(1)的方法，

其特征在于：

所述生产包括以下步骤：

-对用于所述承载件(3)和/或所述测量组件(5)的基板进行刻蚀；

-对所述承载件(3)和/或所述测量组件(5)进行结构化；

-对所述测量组件(5)的侧壁进行掺杂，以用于集成至少一个半导体应变仪(21)；

-对所述承载件(3)进行电接触。

15.根据权利要求14所述的用于生产应变测量结构(1)的方法，其中，刻蚀和/或结构化选自：干刻蚀、湿化学刻蚀和/或等离子刻蚀；以及/或者

所述掺杂选自：扩散、离子注入和/或中子嬗变掺杂。

16.一种应变测量系统，所述应变测量系统包括：

a)根据前述权利要求1至13中的任一项所述的应变测量结构(1)；

b)控制装置

其特征在于：

所述控制装置被配置成用于读出所述测量组件(5)。

17.根据权利要求16所述的应变测量系统，

其特征在于：

所述控制设备被配成用于所述应变测量结构(1)的电接合和/或激活，以及/或者，所述控制设备被配成用于所述应变测量结构(1)的化学接合和/或激活。

18.一种用于对物体上的应变进行测量的方法，所述方法包括：

-提供根据前述权利要求1至13中的任一项所述的应变测量结构(1)或提供根据权利要求16所述的应变测量系统；

-将所述应变测量结构(1)接合至物体(11)；

-激活所述应变测量结构(1)；

-读出所述至少一个测量组件(5)。

19.一种将根据权利要求1至13中的任一项所述的应变测量结构(1)或根据权利要求16所述的应变测量系统用于对物体(11)上的应变进行测量的用途。