CN116940818A - 用于对多个轴中的变形、应力、力和/或扭矩进行测量的装置 - Google Patents
用于对多个轴中的变形、应力、力和/或扭矩进行测量的装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116940818A CN116940818A CN202280017578.0A CN202280017578A CN116940818A CN 116940818 A CN116940818 A CN 116940818A CN 202280017578 A CN202280017578 A CN 202280017578A CN 116940818 A CN116940818 A CN 116940818A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- force
- sensor chip
- base plate
- sensor
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 65
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 59
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 29
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 15
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 9
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000639 Spring steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DMFGNRRURHSENX-UHFFFAOYSA-N beryllium copper Chemical compound [Be].[Cu] DMFGNRRURHSENX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010951 brass Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 238000009623 Bosch process Methods 0.000 description 1
- 241000529895 Stercorarius Species 0.000 description 1
- 239000002313 adhesive film Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000012536 packaging technology Methods 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 230000014616 translation Effects 0.000 description 1
- 238000010200 validation analysis Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 238000003631 wet chemical etching Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/04—Measuring force or stress, in general by measuring elastic deformation of gauges, e.g. of springs
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
- G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
- G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers
- G01L5/223—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers to joystick controls
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明优选地涉及一种用于对物体的变形、应力、力和/或扭矩进行测量的装置，所述装置包括弹簧体和传感器芯片，该传感器芯片在基板上包括一个或更多个传感器元件以及电子电路，所述传感器元件用于对变形、应力、力和/或扭矩进行测量。弹簧体包括底板，在该底板的前侧上安装有力传导器，优选地，该力传导器为销的形式，该传感器芯片定位在底板的背侧上且在力传导器下方。本发明还涉及一种包括所描述的装置和数据处理单元的系统，其中，数据处理单元被配置成对由传感器芯片确定到的测量数据进行读取，并且优选地，该数据处理单元基于该确定数据，来对作用在力传导器上的力和/或扭矩进行检测。
Description
本发明优选地涉及一种用于对物体上的多轴载荷进行测量的装置，所述装置包括弹簧体和传感器芯片，该传感器芯片在基板上具有用于对变形、应力、力和/或扭矩进行测量的一个或更多个传感器元件以及电子电路。弹簧体包括底板，在底板的前侧上安装有力传导器，优选地，力传导器为销的形式，传感器芯片定位在底板的背侧上且在力传导器下方。本发明还涉及一种包括这种装置以及数据处理单元的系统，其中，数据处理单元被配置成：对由传感器芯片检测到的测量数据进行读取，并且优选地，数据处理单元基于该测量数据对作用在物体上的力和/或扭矩进行计算。
背景技术和现有技术
本发明涉及用于对变形、应力、力和/或扭矩进行测量的传感器的领域。
例如，出于确定机械应力部件的尺寸和检查机械应力部件的目的，对物体进行力测量。当根据机械应力部件的功能来对确定机械应力部件的尺寸时，有必要了解载荷的性质。针对设计的决定性变量是出现的最大应力，最大应力最终限定了尺寸。必须提前对这些应力进行识别，然后在测试中进行实验上的验证。因此，实验应力分析可以被视为理论计算与测试中的验证之间的链接。
还需要对力和/或变形进行测量，以监测机器的状况，以便识别和记录可变载荷。例如，由于边界条件和操作条件以及材料特性的临时变化，可能会发生这些情况。
为了排除对待监测的机器或部件的影响，需要特别紧凑的力传感器尺寸。此外，为了解决局部(可能是多轴)变形或应力/应变条件，也需要紧凑的力传感器的尺寸。根据变形或应力梯度的局部分布，大面积、非紧凑的传送器(transducer)不利地只能粗略地识别平均局部条件。
已知的力传感器的尺寸通常由弹簧体或称重传感器的尺寸以及传感器的最小尺寸确定。
弹簧体或称重传感器通常是形状合适的金属件，用于传递力，并且其几何形状在力或扭矩的影响下会发生轻微变化。所产生的变形由传送器例如应变仪或其他电阻或电容测量单元进行检测。
装置的总体尺寸具体地由传送器的最小尺寸确定。当对多轴载荷进行确定时，通常需要多个传感器——每个轴至少一个传感器——多个传感器在空间上分开布置在相应的位置处。
放置多个传送器(例如应变计形式的传送器)需要增加空间。
由于部件的几何形状和载荷应用，载荷状态是位置的函数。在表面上，主应力的大小变化，它们的主方向也在变化。如果不施加额外的法向载荷(例如压力)，则在待测物体表面上存在多轴载荷的情况下，通常会出现双轴应力状态。然而，通常情况下，其主要方向是未知的。
应变仪花环(Strain gauge rosettes)在各个方向上具有多个应变仪，应变仪花环在实验应力分析中执行对双轴应力/应变状态进行完全确定的重要任务，因为已经证明，通过不同方向的三个独立应变测量，可以对主应变进行检测。即使主方向是已知的，仍然需要两个独立的应变测量来对它们进行检测。现有技术中已知的布置是45°直角花环和60°三角形花环。
常见的弹簧体针对各自的单轴载荷设计了多个区域，可以通过多个传送器来进行专门测量。
用于称重传感器的典型弹簧体形状包括例如用于小载荷的双弯曲梁、用于较大载荷的剪切杆、柱状弹簧体(压缩杆或中空圆柱体、用于高载荷的环形扭转弹簧体、用于高值尺度的多弯曲梁弹簧体或尺寸小且刚性高的膜片弹簧体。
通过变形或应变测量来对应力状态进行测量。即使在高部件载荷(断裂点前不久的应力)下，常见的大部分金属材料中也仅存在非常小的变形或应变(约1-2°/oo)。
对于特别刚性的系统，诸如机床或线性测量设备，可用应变要小得多。通常只能费力地应用可用于此目的的半导体应变计。
应变计基本上是基于长度和横截面变化引起的电阻变化。如果应变计受到应变，其电阻就会增加。如果应变计被压缩(负应变)，它的电阻R就会减小。此处，dR/R＝k·ε，其中ε对应于长度的相对变化。
金属应变计的问题领域是k因子低，导致灵敏度低，以及，应变计大，因此空间分辨率差，尤其是在使用花环时空间分辨率差，由于应变计在不同轴上不同位置的的尺寸，可能会出现空间分辨率差和容易出错的结果。
相比之下，半导体应变计可以进行更灵敏的测量。然而，这些应变计的机械敏感性也非常高，因此组装复杂，并且经常发生应变计的破损。此外，通常将这些半导体应变计牢固地粘附在待测物体的整个表面上，这通常也是为了增加应变计的稳定性。在这种情况下，粘合剂的机械特性通常会影响并篡改应变测量。
此外，一般来说，已知的应变计测量方法常常会出现问题，尤其是对于常用的桥式电路，其在部件上的不同位置仅具有1或2个有源、相对较大的应变计，并且在桥式电路中添加无源电阻器；这些问题尤其包括较差的温度补偿和低灵敏度。
在现有技术中，基于硅芯片的传感器也是已知的，其具有多个传感器元件来对应力分布进行测量。
在Jaeger等人2000年中，公开了基于CMOS集成场效应传感器的压阻行为的应力测量。该电路提供温度补偿的测量结果，该结果与平面上的法向差分应力(σxx-σyy)和剪切应力(σxy)成比例。使用硅场效应晶体管作为应力传感器与传统电阻元件相比具有许多优点，因为硅场效应晶体管作为应力传感器尺寸小、灵敏度高、并且可集成到有源电路中，并且硅场效应晶体管作为应力传感器允许进行良好的局部应力状态测量。
Gieschke等人2009年提出了使用带有模拟和数字电路的压阻传感器桥的CMOS集成传感器。在传感器芯片上，分布有32个压阻传感器桥作为传感器元件，并且允许对一个平面内的剪切应力(σxy)或法向差分应力(σxx-σyy)进行测量。传感器元件可以描述为四个晶体管，四个晶体管被布置成正方形，如惠斯通电桥。基于n通道的晶体管对剪切应力进行检测，其中传感器桥相对于(x，y)坐标系旋转45°，而基于p通道的晶体管被布置为与坐标系平行的传感器桥，并且对法向差分应力进行测量。
Kuhl等人2013年描述了基于Gieschke等人2009年的技术的传感器芯片。压阻传感器桥被配置为具有四个源极/漏极触点的方形场效应晶体管(FET，优选地MOSFET)(压电FET)，它利用了n型(NMOS)或p型(PMOS)反转层中的压阻剪切效应。优选地，NMOS传感器元件用于对剪切应力σxy进行测量，并且PMOS传感器元件用于对法向差分应力(σxx-σyy)进行测量。在传感器芯片上，分布有24个这样的压阻传感器桥作为传感器元件。十个NMOS型传感器元件对剪切应力进行测量，以及十四个PMOS型传感器元件对法向差分应力进行测量。
然而，在它们用于对部件或物体上的多轴载荷进行测量和/或监测的用途上需要改进。
发明目的
本发明的目的是提供一种没有现有技术的缺点的装置。具体地，本发明的一个目的是提供一种装置，其可以以高精度对物体上的多轴应力进行检测，并且其特征还在于具有低的易受误差影响的紧凑、坚固的结构。
发明内容
该目的通过独立权利要求的特征来解决。本发明的有利实施方式在从属权利要求中描述。
在一个方面，本发明优选地涉及用于对物体上的多轴载荷进行测量的装置，所述装置包括：
-弹簧体；以及
-传感器芯片，该传感器芯片在基板上包括一个或更多个传感器元件以及电子电路，所述传感器元件用于对变形、应力、力和/或扭矩进行测量，其特征在于，所述弹簧体包括底板，在所述底板的前侧上安装有力传导器，所述传感器芯片位于所述底板的背侧上且在所述力传导器下方。
弹簧体有利地允许来自多轴载荷或外部载荷的应力、力或应变仅集中在底板中的一个小空间区域中。例如，力传导器可以是长椭圆形力指针或销，其在固定点处局部连接至底板。
在远离底板的端部处施加在力传导器上的载荷导致固定点处的局部应力分布，并且在给定弹簧体的适当配置的情况下，还在底板的背侧处导致局部应力分布，这有利地与施加在力传导器上的载荷的大小(高度)和方向明确地相关。
优选地，测量点处的最大载荷与力传导器或销的前固定点处的最大载荷具有相同的数量级，由此减少了销固定点处不期望的高切口应力。优选地，背侧处的应力分布在面积方面与传感器芯片相适配并且增加。有利地，因此可以非常灵敏地对要测量的外部载荷或力进行测量，由此不存在由于固定点处的刚性问题而造成的限制。
有利地，附接到底板的背侧的传感器芯片允许在该芯片的位置处精确地、空间分辨地对底板的相关区域中的变形、应力、力和/或扭矩进行测量。在这种情况下，优选地，作用在底板上的变形、应力或力和扭矩被传递到传感器芯片的基板，由此一个或更多个传感器元件对基板的变形或应力进行检测。通过适当的校准，可以使用基板(连接到底板的背侧)的变形或应力来得出关于作用在力传导器上的力或扭矩的极其精确的结论。
为此目的，该装置可以保持极其刚性，因为即使力传导器的轻微偏转或平移也可以以底板中的特征变形或应力分布的形式进行可靠地测量。
力传导器本身可以经由正向地连接和/或摩擦地连接安装在物体(例如部件、操作元件或机器)中，使得物体上的多轴载荷直接转移到力传导器。
载荷是指机械载荷，并且出于本发明的目的，优选地意指作用在相应部件(诸如物体、力传导器或底板)上的变形、应力、力和/或扭矩。
载荷可以包括，例如，相对于力传导器的偏转，例如，由于侧向力(Fx，Fy)引起的偏转，该侧向力优选地作用在力传导器的远离底板的端部上，力传导器优选地是销。(机械)应力优选地通过所选定的截面区域上的力(例如侧向力)的比率来指示。物体施加在所选定的截面区域A上的机械法向应力σ是垂直作用在区域A上的外力F的分量Fn。因此，法向应力σxx优选地指示在选定的x，y坐标系中沿x轴作用在传感器芯片或基板的与x轴垂直的截面区域A(yz平面)上的力(Fx)。
力传导器()的偏转引起底板的变形，特别是在力传导器所固定的区域中，即在力传导器正向地连接和/或摩擦地连接至底板的区域中，优选地，所述力传导器为销。
例如，在底板的区域中，会出现应变或压缩，应变或压缩是偏转方向和幅度的函数，并且可以根据应变或压缩得出结论。
应变(通常用公式符号ε表示)指示物体的长度的相对变化，其可以是延长或缩短。物体的尺寸的增加称为正应变或膨胀，否则称为负应变或压缩。应变优选地定义为ε＝Δl/l0，其中Δl表示长度的变化，以及l0表示初始长度。
在本发明的含义内，尤其是借助传感器芯片来对底板的局部膨胀或收缩进行检测，这使得能够精确确定力传导器在多个轴中的偏转。平面(xy平面)优选地对应于其上布置有传感器元件的传感器芯片的平面，并且例如优选地对剪切应力或法向差分应力进行测量。
如果力传导器正向地装配到物体例如操纵杆或轴中，则可以通过对最小偏转进行测量来直接对物体中的变形或应力进行检测。
载荷还可以与沿力传导器的轴向方向(在力传导器为销的情况下，为沿其纵向方向)作用在力传导器上的轴向力(Fz)相关。在力传导器上存在轴向拉力或压缩力的情况下，在底板的固定区域内也会发生特有的变形或应力，优选地，力传导器为销的形式。例如，在倒圆的销的情况下，由于力传导器上的轴向拉力或剪切力，底板可能会经历弯曲，并且具有特征性的膨胀或压缩模式。
此外，作用在力传导器上的扭矩(Mz)还有利地在底板的区域中引起特定的变形或应力，例如以扭转模式的形式。通过将装置、特别是力传导器适当地集成到部件(例如工具主轴)中，可以对部件或主轴内的扭矩或扭转模式进行测量。
根据本发明的装置的可能应用是多种多样的，所提出的装置的优点特别是在多轴载荷的测量或监测中发挥作用。
另外，该装置的特征在于结构紧凑，因为优选地仅使用了一个传感器芯片，该传感器芯片对底板的局部区域中的力传导器上的载荷进行测量。
由于介质分离，该装置在处理方面也特别坚固。弹簧体的力传导器连接到物体或部件的前部，而传感器芯片则单独安装在弹簧体的背部。例如，由于其紧凑的结构、精确的测量精度和介质分离，该装置可以用作小型化流量传感器，优选地根据挡板或涡流原理或其组合。
此外，根据本发明的装置特别适合于人机界面(HMI)应用的触觉控制。弹簧体的高刚性对此是有利的，由于可以精确地利用优选低的力(例如5N至10N)进行无位移的控制。
在集成到操纵杆中后，该装置可以用于例如操作机器、车辆或轮椅。还可以使用该装置来提供键盘面板。由于对Z轴轴向力以及围绕X或Y的扭矩的高度灵敏测量，可以以极其灵敏的方式对在连接有力传感器的面板上施加的力的位置和大小进行测量。该装置还特别适合作为3D坐标计量学中的“感测探针”，由此与现有技术相比，可以提供明显更小或更紧凑且更具成本效益的解决方案。
此外，该装置的紧凑且坚固的设计还允许特别有利地用作软/灵敏机器人中的力传感器。此处，基于力的控制可以补充或取代纯路径控制。这允许灵敏得多的控制，例如在发生反作用力时，关于夹紧运动或自动导向元件(例如工具)的定位中。有利地，根据本发明的装置因此还可以用于例如复杂的人机协同工作或精密加工，例如金属切削加工。
纯路径控制的机器人系统通常缺乏此类应用所需的灵敏度。尽管路径控制可以极其精确，但如果没有对作用力的精确测量，则很容易对正在加工的物体造成不期望的损坏。
在优选实施方式中，弹簧体被构造成使得作用在力传导器上的力和/或扭矩集中在底板的局部区域中，使得安装在背侧上且在所述区域下方的传感器芯片允许基于对连接到底板的所述区域的传感器芯片的基板的变形、应力、力和/或扭矩的测量，来得出关于作用在力传导器上的力和/或扭矩的结论。
特别优选地，力传导器是销(或者也是杆或指针)，优选地，所述销以无力(无载荷)而基本上垂直于底板的表面的方式布置。
力传导器，特别是销形式的力传导器，优选地为长椭圆形，其横截面尺寸与其长度或高度相比较小。横截面尺寸与长度或高度的比率优选地称为纵横比。横截面尺寸优选地表示力传导器的横截面中的最大延伸。在圆形横截面的情况下，横截面尺寸优选地对应于直径。在正方形横截面的情况下，横截面尺寸优选地对应于边长。
诸如基本上、大约、约等的术语优选地描述小于±20％、优选地小于±10％、甚至更优选地小于±5％并且特别是小于±1％的公差范围。基本上、大约、约等的指示也总是公开并且包括所提及的精确值。
在优选实施方式中，力传导器具有0.5mm至5mm的直径，特别优选地，力传导器具有1mm至3mm的直径，以及/或者力传导器具有5mm至500mm的长度，优选地，力传导器具有10mm至100mm的长度，力传导器优选地为销形式。
在优选实施方式中，销的直径与长度的纵横比为1:3至1:100，优选地，销的直径与长度的纵横比为1:5至1:20。
在优选实施方式中，销具有中心孔，其中，优选地，具有中心孔的销的壁厚在0.2mm至5mm之间，特别优选地，具有中心孔的销的壁厚在0.5mm至2mm之间。在所述实施方式中，优选地，力传导器具有中空圆柱体的形状，其中，孔沿着中心轴线存在并且壁厚优选地与(销的)外半径与(孔的内半径)之间的差相对应。
在作为力传导器的销中提供孔需要底板的特别特有的变形，使得可以特别精确地对作用在力传导器上的力或扭矩进行测量。
为了本发明的目的，底板优选地意指具有前侧和背侧的基本上平坦的部件，其中，前侧或背侧的最大延伸(长度、宽度)与底板的厚度相比较大。例如，在圆形形状的情况下，底板的前侧或背侧的最大延伸可以与直径相对应。优选地，底板的厚度可以比前侧或背侧的最大延伸(例如，前侧或背侧的直径或边缘长度)小5倍、10倍、20倍或更多。
底板的前侧或背侧的形状可以具有多种特征，并且可以是例如圆形、矩形、梯形、三角形、椭圆形，但不限于这些示例。
在本发明的含义内，将传感器芯片定位在力传导器下方优选地意味着传感器芯片定位在底板的背侧上的与力传导器或固定点相反的局部区域中。优选地，传感器芯片因此至少部分地与力传导器的前侧固定点的投影交叠。在优选实施方式中，力传导器和传感器芯片可以彼此轴向对准。
在优选实施方式中，底板可以由基本上均质的平面体形成。同样，优选的是，底板不是均质体，而是可以具有中断，例如槽、开口或其他拓扑形式的中断。底板还可以例如由格子结构形成，当载荷施加在力传导器上时，该格子结构以特有的(可测量的)方式变形。因此，术语“基本结构”可以优选地与术语底板同义地使用。
在优选实施方式中，底板具有在0.1mm至2mm之间的厚度，优选地，底板具有在0.3mm至0.7mm之间的厚度。
在优选实施方式中，底板和/或力传导器由金属形成，优选地，金属选自铁、钢、不锈钢、弹簧钢、黄铜、铜、钛、铝、铅、镁、铍铜和/或前述物质的其他合金。
在另外优选的实施方式中，底板和/或力传导器不仅可以由金属提供，而且可以由微型系统技术的其他材料提供，诸如半导体、陶瓷或塑料。
陶瓷材料的特征尤其在于对高温应用或恶劣环境条件的高耐受性，特别是用于提供底板和/或力传导器。例如，由于传感器芯片附接在底板的背侧上，因此该装置还适合于介质分离。因此，对于在流量传感器中的应用，力传导器可以位于流动的流体(液体或气体)中，而传感器芯片安装在底板的相对侧上。
在优选实施方式中，底板和/或力传导器可以由衬底形成，优选地，衬底选自单晶硅、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、磷化铟和玻璃。
这些材料在半导体和/或微型系统制造中易于加工且便宜，并且适合大规模生产。此外，这允许提供优选地采用集成(半导体)工艺包括弹簧体和传感器芯片的装置。这简化了生产，使得可以以低成本提供特别紧凑的多轴力传感器。
力传导器和底板的前述尺寸和材料已被证明在提供特别灵敏的测量装置方面是有利的。
在优选实施方式中，底板和/或力传导器具有卸荷槽，优选地，所述卸荷槽呈围绕力传导器固定至底板的区域的边界的形式。卸荷槽尤其表示以边界形式存在于底板和/或力传导器上的凹部、腔体或凹口。
在这方面特别有利的是在销内提供中心孔和/或提供卸荷槽，优选地，所述卸荷槽呈围绕力传导器固定至底板的区域的边界的形式。
这两个特征彼此独立，但组合在一起特别明显地，导致固定区域中底板的特征变形，从而允许对力传导器上的多轴载荷进行特别灵敏的测量。
在优选实施方式中，弹簧体可以是整体式的。也就是说，力传导器和底板由一块材料形成，优选地，所述力传导器为销。然而，弹簧体也可以形成为复合体，在这种情况下，力传导器被固定至底板，优选地，所述力传导器为销。
在本发明的含义内，传感器芯片优选地意指半导体部件，其包括至少一个基板，所述至少一个基板具有一个或更多个传感器元件和优选地电子电路。
在优选实施方式中，一个或更多个传感器元件被配置成：对基板的变形、应力、力和/或扭矩进行电阻式测量、光学式测量、磁学式测量、感应式测量和/或电容式测量，优选地，所述电阻式测量为压阻式测量。
电阻式传感器元件和压阻式传感器元件通常是基于由于其上安装有它们的基板的长度变化而导致的电阻变化的。由于传感器元件上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准确的应变测量。优选地，可以通过施加到惠斯通电桥中的传感器元件的应力的变化来对电阻的变化进行测量。
优选地，压电传感器元件是基于通过作用在装置上的压缩力和/或拉伸力产生的材料固有的电压。
优选地，感应式测量装置是基于由变化的磁场感应的电流的强度的。
优选地，光学传感器元件可以经由距离测量(例如干涉测量)来对不同区域之间的应变进行测量，其中相干光信号的叠加提供关于它们的相位差的信息，该信息是可以读取的。优选地，该相位差转而包含关于区域之间的距离的信息。
磁学传感器元件可以例如是基于霍尔传感器的，其根据磁场内的位置并因此根据所经历的磁通密度来生成不同的电压。因此，优选地，在固定的参考磁场的情况下，可以使用测量的电压来对霍尔传感器与该磁场的相对位置进行检测。该测量原理可以特别地用于实现基板上的不同区域之间的距离测量(以及由此的应力或应变测量)。
优选地，电容传感器元件基于电容器的电容随着电容器板(电极)之间的距离的变化而发生可测量变化的原理。可想到各种不同的实现方式，例如以基板上的电容器板的形式，作为(MEMS)梳状结构，其中梳状覆盖和/或梳状间隔可以根据实施方式而变化。
本领域技术人员已知可以优选地用于实现变形、应力、力和/或扭矩的电阻式测量、光学式测量、磁学式测量、电感式测量和/或电容式测量的各种传感器元件以及材料，优选地，所述电阻式测量为压阻式测量。
优选地，使用MEMS传感器，即基于MEMS技术的部件。MEMS代表英文术语“微机电系统(microelectromechanical system)”，即微型系统，由此可实现紧凑的设计(在微米范围内)，同时具有出色的功能和更低的制造成本。特别地，包括传感器元件和电子器件的整个传感器芯片优选地完全集成到CMOS技术中。
优选地，传感器元件与用于对传感器元件进行评估和/或控制的电子电路一起布置在基板上，并且传感器元件经由电连接与该电路接触，电连接例如通过引线接合制成和/或例如通过导体轨道铺设在基板中。基板特别地用作机械载体，但也可以实现电功能，例如为各个部件提供电连接。
优选的电子电路包括但不限于集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器、微型计算机、可编程逻辑控制器、和/或其他电子电路，优选地可编程电路。
借助于传感器芯片上的电子电路和/或另外的电子部件，优选地，已经可以读取传感器元件的测量数据和/或对传感器元件的测量数据进行(预)处理。为此，多路复用器(MUX，用于读取多个传感器元件的信号)、运算放大器(例如具有可变增益的差分差值放大器(DDA))或模数转换器(ADC)可以存在于传感器芯片上或用于将信号转换成数字数据的电路载体上。
在特别优选的实施方式中，一个或更多个传感器元件包括压阻结构，优选地，一个或更多个传感器元件包括压阻传感器桥。
优选地，压阻传感器桥可以设计为惠斯通电桥，优选地，压阻传感器桥可以设计为全桥。有利地，形成全桥的四个压阻结构可以定位成彼此非常靠近。因为温度漂移优选地同等地影响所有压阻结构，因此对诸如温度漂移之类的干扰源进行补偿。
特别优选地，传感器芯片包括多于3个、多于5个、多于10个、多于15个、多于20个或更多个传感器元件，其中，传感器元件分布在基板上的各个位置处。
由于大量的传感器元件，可以对基板上的变形、应力、力和/或扭矩的二维分布进行特别精确的测量。例如，与半导体应变计传感器不同，传感器芯片不会在整个表面上对基板上的局部载荷进行集成，而是借助于基板上的大量传感器，能够对基本表面下方相关区域中的应力或应变进行空间分辨测量。
在优选实施方式中，使用感测元件中的一个或更多个感测元件来对基板上的差分应力σxx-σyy进行测量。应力σxx和σyy对应于xy平面中的正交法向应力。
在优选实施方式中，一个或更多个传感器元件对剪切应力σxy进行测量，使得也可以对作用在基板上的剪切力进行检测。
在优选实施方式中，传感器元件被设计为压阻传感器桥，其如惠斯通电桥一样被布置为正方形，由此通过基于n沟道的晶体管来对剪切应力进行检测，并且由此传感器桥相对于(x，y)坐标系旋转45°，而基于p沟道的晶体管被布置为平行于坐标系的传感器桥并且基于p沟道的晶体管对法向差分应力进行测量。
特别优选地，压阻传感器桥被设计为具有四个源极/漏极触点的方形场效应晶体管(FET，优选地MOSFET)(压电FET)，其利用n型(NMOS)或p型(PMOS)反转层中的压阻剪切效应。优选地，NMOS传感器元件用于对剪切应力σxy进行测量，以及PMOS传感器元件用于对法向差分应力(σxx-σyy)进行测量。Gieschke等人2009年和Kuhl等人2013年等公开了具有压阻传感器桥作为传感器元件的优选传感器芯片的示例。有利地，可以实现尺寸为10μm×10μm或更小的特别紧凑的传感器元件。
特别优选地，传感器上可以具有对法向应力的差分应力σxx-σyy进行检测的多个传感器元件以及对剪切应力σxy进行检测的多个传感器元件。这提供了基板中的二维应力分布的特别精确的图像，因此间接地提供了底板的其上固定有力传导器的区域的图像。
在优选实施方式中，传感器芯片的基板包括半导体材料，优选地，半导体材料为硅、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/或微型系统生产中易于加工并且便宜，而且也非常适合批量生产。同样，这些材料特别适合掺杂和/或涂覆，以在特定区域实现所需的电学、机械学、热学和/或光学特性。
用于对作用在传感器芯片上的机械变形和/或应力进行测量的传感器元件被集成到基板上或基板中。此处可以使用半导体工业中已知的材料和/或生产技术，其特征在于其高效、简单、低生产成本和适合大量生产。
例如，对基板上进行掩模(优选地光刻)可以用于限定用于形成传感器元件和/或电子电路的区域，在其上可以进行另外的半导体工艺，诸如蚀刻、掺杂和/或沉积。基板还可以是包括两个或更多个层的多层基板，所述两个或更多个层被单独加工并且接合在一起(粘结)。
优选地，蚀刻和/或图案化可以选自干法蚀刻、湿法化学蚀刻和/或等离子体蚀刻，特别是反应性离子蚀刻、深反应性离子蚀刻(博世工艺)。
优选地，施加或沉积可以选自物理气相沉积(PVD)，特别是热蒸发、激光束蒸发、电弧蒸发、分子束外延、溅射、化学气相沉积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)。
例如，可以通过已知的工艺诸如合金化、扩散和/或离子注入来进行掺杂。
在优选实施方式中，传感器芯片的基板具有100μm至600μm之间的厚度，优选地，传感器芯片的基板具有200μm至400μm之间的厚度。基板的尺寸特别适合于确保应力变形或底板的区域的变形与传感器元件之间的良好传递功能。
优选地，传感器芯片在基板的一侧附接到底板的背部。为此，例如可以使用粘合剂，在基板与底板之间产生直接连接。
除了借助于粘合剂进行连接之外，还可以使用集成电路封装技术(ICP)中的各种技术用于将传感器芯片机械耦合到底板。这些包括但不限于使用粘合膜、锡焊、铜焊(焊接)、反应性接合(优选地利用热反应性膜，特别是纳米多层或反应性多层系统RMS接合)或还有粘结，例如阳极粘结、直接粘结、具有中间层的粘结工艺(例如共晶粘结)、玻璃料粘结、粘合剂粘结和/或选择性粘结。
优选地，机械变形经由使用ICP技术的机械耦合(例如，粘合剂粘结、焊接、反应性接合、粘结等)直接转移到薄膜基板，其中基板的相对侧上的传感器元件拾取二维应力或变形图像。
因此，优选地，传感器元件用于对传感器芯片本身的变形或应力或基板的变形或应力进行检测。由于与力传导器的机械耦合，测量的数据提供了关于作用在力传导器上或其中集成有力传导器的物体上的应力、力、变形或扭矩的直接结论。
通过各种校准，不仅可以获得关于力传导器或物体中机械载荷的变化的相对信息，而且可以获得关于作用在部件中的应力、力、变形或扭矩的绝对信息。例如，传感器芯片或基板以及力传导器的机械特性可以包括在校准中。
由于基板的厚度有限，基板的自由侧上的传感器元件产生的二维应力或变形图像可能与底板上的实际应力或变形分布不同。然而，对于给定的传感器芯片和基板，差异是恒定的，因此这些差异包含在校准中。
在另一优选实施方式中，该装置包括一个或更多个感应接口，优选地，感应接口为线圈，用于传输测量值和/或用于供应能量。
这种遥测接口允许能量自主装置的特别灵活的使用。
经由感应接口，操作所需的电力可以由外部读取器耦合进来。然后，集成传感器元件可以对应力或变形分布进行测量，然后将测量的数据无线传输到读取器。对于通过遥测接口的数据传输，例如使用NFC(近场通信)标准也可能是优选的。
有利地，该装置还可以用于例如对旋转物体进行监测，诸如工具主轴，否则这通过基于电缆的接触是不容易实现的。
感应接口或(应答器)线圈可以安装在传感器芯片本身上，或者单独安装在例如印刷电路板上。
在优选实施方式中，传感器芯片与电路载体接触。优选地，电路载体是包括电绝缘材料的部件，其上存在导电连接(导体轨道)和/或电子部件或组件。
在优选实施方式中，电路载体是印刷电路板，其中传统的(刚性)印刷电路板和柔性印刷电路板都可以使用。
在优选实施方式中，传感器芯片还可以通过板上芯片方法与电路载体接触，其中，优选地，电接触通过倒装芯片组件或芯片和引线技术来实现，优选地，电接触通过引线接合的方式来实现。
在芯片和引线技术中，优选地，传感器芯片直接粘结至电路载体(例如印刷电路板)并且通过引线接合(由精细线制成的桥)电连接至电路载体。
优选地，例如，传感器芯片可以通过ICP技术(例如，粘合剂粘结、焊接、反应性接合等)附接到底板的背部并且经由电连接(例如引线粘结)而连接到印刷电路板，印刷电路板也连接到底板。替代地，优选地，还可以使用倒装芯片组件，在这种情况下，优选地，传感器芯片附接到具有有源接触侧的电路载体(例如印刷电路板)，在该有源接触侧上定位有传感器技术(传感器元件)和/或电子器件。优选地，通过接触凸块、例如通过各向异性导电膜来进行接触。在倒装芯片组件中，优选的是，通过粘合剂将传感器芯片直接附接到基本表面，以实现与基板的最佳力转移，其中印刷电路板位于远离底板的可到达侧上。
可以以有线或无线方式，在传感器芯片与外部数据处理单元之间建立接触，优选地，在传感器芯片与外部数据处理单元之间经由电路载体上的接口建立接触。
可以以有线或无线方式，在传感器芯片与外部数据处理单元之间建立接触，优选地，在传感器芯片与外部数据处理单元之间经由电路载体(例如印刷电路板)上的接口建立接触。
对于传感器芯片，可以优选的是不同的形状，例如圆形形状、矩形形状或其他多边形形状，特别优选的是矩形的形状，特别是正方形。
在优选实施方式中，传感器芯片具有0.5mm至10mm的宽度和/或长度，优选地，传感器芯片具有1mm至5mm的宽度和/或长度，优选地，传感器芯片具有1mm至3mm的宽度和/或长度。优选地，传感器芯片的厚度小于1mm，优选地，传感器芯片的厚度小于700μm，或者，传感器芯片的厚度小于500μm。
因此，在优选实施方式中，传感器芯片是基本上平坦的，即，传感器芯片的特征在于：与和一个平面(xy平面)正交的尺寸(z轴，厚度)相比，在所述一个平面上的宽度和/或长度更大。该因子可以是，例如，2、3、5或更大。
在优选实施方式中，传感器芯片具有0.25mm2至100mm2的面积、优选地，传感器芯片具有1mm2至25mm2的面积，更优选地，传感器芯片具有1mm2至9mm2的面积。
在另一方面，本发明优选地涉及一种系统，所述系统包括：
a)所描述的装置；以及
b)数据处理单元，
其中，所述数据处理单元被配置成：对由传感器芯片检测到的测量数据进行读取。
本领域普通技术人员将认识到，针对根据本发明的装置公开的优选实施方式的技术特征、定义和优点同样适用于包括这种装置的系统，反之亦然，针对根据本发明的系统公开的优选实施方式的技术特征、定义和优点同样适用于该系统中包括的装置。
优选地，数据处理单元被配置成：借助于与由传感器芯片检测到的基板的变形、应力、力和/或扭矩有关的测量数据，来对作用在力传导器上的力和/或扭矩进行检测。
因此，优选地，数据处理单元允许对来自传感器芯片的测量数据进行评估，以便对力传导器或与力传导器连接的物体上的实际载荷进行检测。
传感器芯片本身上的电子电路也可以对测量数据进行(预)评估。然而，还可以优选的是，电子电路基板上将未处理的测量数据转发到(外部)数据处理单元以用于进一步处理和/或评估。
(外部)数据处理单元优选地是适合于并且被配置成用于接收、发送、存储和/或处理数据的单元，优选地，所述数据为测量数据。优选地，数据处理单元包括用于对数据进行处理的集成电路、处理器、处理器芯片、微处理器或微控制器，以及用于存储数据的数据存储器，例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或闪存。
为了基于与由传感器芯片检测到的基板的变形、应力、力和/或扭矩相关的测量数据来对作用在力传导器上的力和/或扭矩进行检测，优选地，可以在数据存储器上存储计算机程序，所述计算机程序包括用于执行相应计算步骤的命令。优选地，为此目的，通过适当的校准获得的参考数据也可以在数据处理单元上可用。
特别优选地，数据处理单元是个人计算机(PC)、膝上型电脑、平板电脑等，其除了包括用于接收、发送、存储和/或处理数据的装置之外，还包括数据的显示器以及输入装置，诸如键盘、鼠标、触摸屏等。此外，优选地，数据处理单元还可以用于对装置进行控制，即例如用于对用于执行测量的参数进行预设。
具体实施方式
下面，将通过实施例对本发明进行更详细地说明，但本发明不限于这些实施例。
图1示出了根据本发明的弹簧体1的优选实施方式的示意图。
弹簧体1包括力传导器3，力传导器3具有销的形状并且在固定区域中以机械方式联接到底板5中。在没有施加力的情况下，力传导器3基本上垂直于底板5。力或扭矩作用在力传导器3上引起偏转或变形，该偏转或变形直接传送到底板3的固定区域。
图1示出了弹簧体1的顶视图，使得底板5的前侧可见。图1B示出了底板5的背侧。
图1A示出了力传导器3在空间方向上的偏转。如图1B所示，这种偏转导致底板5的背侧且在销3下方发生特征性变形。红色区域指示扩展，而蓝色区域指示压缩。压缩的区域和延伸的区域的布置或对准允许力传导器3的偏转方向的高度精确的分辨率。底板5中的变形或应力的幅度也与力传导器3的偏转的幅度非常精确地相关。
所示出的弹簧体1允许作用在力传导器3上的力和/或扭矩集中在底板5的局部区域中，使得在背侧上且位于所述区域下方的传感器芯片(图1中未示出)允许基于连接到底板5的所述区域的传感器芯片的基板的变形、应力、力和/或扭矩的测量得出关于作用在力传导器3上的力和/或扭矩的结论。
出于此目的，圆形销3的形状已被证明是有利的，圆形销3在没有任何力的情况下基本上垂直于底板5。如果销3具有中心孔6并且在底板5和/或力传导器3中存在边界的形式的卸荷槽7，也能获得特别好的结果。
图2和图3示出了在底板5且在力传导器3下方的区域中所产生的应力或变形的测量。
如图2A和图2B所示，传感器芯片2或其基板由于其直接耦合至底板5而经历类似的变形或应力分布，这可以借助于传感器元件(未示出)将其记录在传感器芯片2上。
图3示出了由于如图1所示的力传导器3的偏转而导致的底板5处的二维应力分布。
图3A和图3B分别示出了法向应力Sx(或σxx)和Sy(或σyy)的二维分布。
优选地，传感器芯片2或安装在其上的传感器元件对法向应力的差值Sx-Sy(或σxx-σyy)进行检测。
该差值可以在图3C中看出。有利地，应力分布由一系列特征峰来表征，这允许对力传导器3的偏转进行高度精确的测量。
图4示出了传感器芯片2的优选实施方式，图4示出了位于基板上的传感器技术或电子器件。
传感器芯片2总共包括32个传感器元件9，这些传感器元件9位于基板上的不同位置处以确保应力分布的二维分辨率。传感器芯片2本身的长度和宽度为约2mm x 2.5mm，厚度为约300μm。
传感器芯片2完全集成在CMOS技术中。传感器元件9是压阻传感器桥，优选地，传感器元件9是惠斯通电桥(参见图4B和图4C)。
图4B示出了传感器元件9，其是PMOS类型的压阻传感器桥，与坐标系(x，y)平行排列，并且特别地对法向应力的差值σxx-σyy是敏感的。
图4C示出了传感器元件9，其是NMOS类型的压阻传感器桥并且以与坐标系(x，y)成45°定向并且特别地对剪切应力σxy是敏感的。
除了传感器元件9之外，传感器芯片还具有附加的电子部件。具体地，传感器芯片2包括控制逻辑，作为电子电路11或模数转换器(ADC)和运算放大器(差分放大器)(DDA)。在优选实施方式中，还存在用于无线读取测量数据或用于供电的感应接口(遥测接口)。
图5中示出了优选装置的一个示例应用。此处，具有力传导器3的装置存在于操纵杆内。操纵杆的移动引起力传导器3的偏转，这可以基于由传感器芯片(未示出)对应力或变形分布的测量来进行检测。
为了向传感器芯片供应电力并且读取测量数据，该装置包括次级线圈形式的感应接口。操作所需的电力可以通过外部基本单元或读取器耦合进来，该外部基本单元或读取器包括用于此目的的初级线圈。随后，集成传感器元件可以对电压或变形分布进行测量，然后将测量数据无线传送到基本单元或读取器。
基本单元或读取器已经可以作为数据处理单元通过电子读取过程来执行数据的(预)评估。优选地，测量数据还被转移到另一个外部数据处理单元，例如PC、笔记本或移动设备，用于评估、可视化和/或存储。
参考标记列表
1 弹簧体
2 传感器芯片
3 力传导器，优选地为销
5 底板
6 中心孔
7 卸荷槽
9 传感器元件
11 电子电路，例如ASIC
13 感应接口。
参考书目
Gieschke P.,Y.Nurcahyo,M.Herrmann,M.Kuhl,P.Ruther and O.Paul,"CMOSIntegrated Stress Mapping Chips with 32N-Type or P-Type Piezoresistive FieldEffect Transistors,"2009IEEE 22nd International Conference on Micro ElectroMechanical Systems,Sorrento,Italy,2009,pp.769-772,doi:10.1109/MEMSYS.2009.4805496.
Jaeger Richard.C.,Suhling,Jeffrey C.,Ramani,Ramanathan,Bradley,ArthurT.and Xu,Jianping,CMOS Stress Sensors on(100)Silicon,IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.35,NO.1,JANUARY 2000.
Kuhl M.,Gieschke,P.,Rossbach,D.,Hilzensauer,S.,Panchaphongsaphak,T.,Ruther,P.,Lapatki,B.,Paul,O.,Manoli,Yi,"A Wireless Stress Mapping System forOrthodontic Brackets Using CMOS Integrated Sensors,"in IEEE Journal of Solid-State Circuits,vol.48,no.9,pp.2191-2202,Sept.2013,doi:10.1109/JSSC.2013.2264619。
Claims (15)
1.一种用于对物体上的多轴载荷进行测量的装置，所述装置包括：
-弹簧体(1)；以及
-传感器芯片(2)，所述传感器芯片(2)在基板上包括一个或更多个传感器元件(9)以及电子电路(11)，所述传感器元件(9)用于对变形、应力、力和/或扭矩进行测量，
其特征在于，
所述弹簧体(1)包括底板(5)，在所述底板(5)的前侧上安装有力传导器(3)，其中，所述传感器芯片(2)位于所述底板(5)的背侧上且在所述力传导器(1)下方。
2.根据前一权利要求所述的装置，
其特征在于，
所述弹簧体(1)构造成使得作用在所述力传导器(1)上的力和/或扭矩集中在所述底板(5)的局部区域中，使得安装在所述背侧上且在所述区域下方的所述传感器芯片(2)能够基于对所述传感器芯片(2)的基板的变形或应力的测量来得出关于作用在所述力传导器(1)上的力和/或扭矩的结论，所述传感器芯片(2)的基板连接至所述底板(5)的所述区域。
3.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
所述力传导器(3)由销形成，优选地，所述销在没有力施加在所述底板(5)上时基本上垂直于所述底板(5)。
4.根据权利要求3所述的装置，
其特征在于，
所述销(3)具有0.5mm至5mm的直径，特别优选地，所述销(3)具有1mm至3mm的直径，所述销(3)具有5mm至500mm的长度，优选地，所述销(3)具有10mm至100mm的长度，以及/或者，所述销(3)具有1:3至1:100的直径与长度的纵横比，优选地，所述销(3)具有1:5至1:20的直径与长度的纵横比。
5.根据前述权利要求3或4中一项所述的装置，
其特征在于，
所述销(3)具有中心孔，其中，具有中心孔的所述销的壁厚优选地在0.2mm至5mm之间，特别优选地，具有中心孔的所述销的壁厚在0.5mm至2mm之间。
6.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
所述底板(5)具有0.1mm至2mm之间的厚度、优选地，所述底板(5)具有0.3mm至0.7mm之间的厚度。
7.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
所述底板(5)和/或所述力传导器(3)具有卸荷槽(7)，优选地，所述卸荷槽(7)呈围绕所述力传导器(3)与所述底板(5)接触所在的区域的边界的形式。
8.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
所述底板(5)和/或所述力传导器(3)由金属形成，优选地，所述金属选自铁、钢、不锈钢、弹簧钢、黄铜、铜、钛、铝、铅、镁、铍铜和/或上述的其他合金。
9.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
一个或更多个所述传感器元件(9)被配置成：对所述基板的变形、应力、力和/或扭矩进行电阻式测量、光学式测量、磁学式测量、电感式测量和/或电容式测量，优选地，所述电阻式测量为压阻式测量。
10.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
一个或更多个所述传感器元件(9)包括压阻结构，优选地，所述压阻结构为压阻传感器桥，以及/或者
所述传感器芯片(2)具有多于5个、多于10个、多于15个、多于20个或更多个传感器元件(9)，所述传感器元件对于对所述基板的变形、应力、力和/或扭矩的测量而言具有不同的灵敏度。
11.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
所述传感器芯片(2)被配置成：对多个轴中的变形、应力、力和/或扭矩进行测量；以及/或者对所述基板的变形、应力、力和/或扭矩的二维分布进行测量。
12.根据前述权利要求中一项所述的装置，
其特征在于，
所述传感器芯片(2)的所述基板包括半导体材料，优选地，所述半导体材料为硅、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。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述传感器芯片(2)的所述基板具有在100μm至600μm之间的厚度，优选地，所述传感器芯片(2)的所述基板具有200μm至400μm之间的厚度。
14.一种系统，所述系统包括：
a)根据前述权利要求中一项所述的装置；
b)数据处理单元，
其特征在于，
所述数据处理单元被配置成：对由所述传感器芯片检测到的测量数据进行读取。
15.根据前一权利要求所述的系统，
其特征在于，
所述数据处理单元被配置成：根据与由所述传感器芯片检测到的所述基板的变形、应力、力和/或扭矩相关的测量数据，来对作用在所述力传导器上的力和/或扭矩进行检测。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP21159920.4 | 2021-03-01 | ||
| EP21159920 | 2021-03-01 | ||
| PCT/EP2022/055098 WO2022184690A1 (de) | 2021-03-01 | 2022-03-01 | Vorrichtung zur messung von verformungen, spannungen, kräften und/oder drehmomenten in mehreren achsen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116940818A true CN116940818A (zh) | 2023-10-24 |
Family
ID=74844815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280017578.0A Pending CN116940818A (zh) | 2021-03-01 | 2022-03-01 | 用于对多个轴中的变形、应力、力和/或扭矩进行测量的装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240167896A1 (zh) |
| EP (1) | EP4302059A1 (zh) |
| CN (1) | CN116940818A (zh) |
| WO (1) | WO2022184690A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102022209554A1 (de) * | 2022-09-13 | 2024-03-14 | Zf Friedrichshafen Ag | Verbindung einer Sensoranordnung mit einem Messobjekt |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2584201B2 (ja) * | 1994-01-14 | 1997-02-26 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | 力変換器、コンピュータ・システムおよびキーボード |
| AU2003221051A1 (en) * | 2002-04-15 | 2003-10-27 | K-Tech Devices Corp. | Stress sensor |
| US11156511B2 (en) * | 2019-04-09 | 2021-10-26 | Honeywell International Inc. | Load cell |
-
2022
- 2022-03-01 CN CN202280017578.0A patent/CN116940818A/zh active Pending
- 2022-03-01 EP EP22708558.6A patent/EP4302059A1/de active Pending
- 2022-03-01 WO PCT/EP2022/055098 patent/WO2022184690A1/de active Application Filing
- 2022-03-01 US US18/548,528 patent/US20240167896A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4302059A1 (de) | 2024-01-10 |
| US20240167896A1 (en) | 2024-05-23 |
| WO2022184690A1 (de) | 2022-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | A silicon-based shear force sensor: development and characterization | |
| US7311009B2 (en) | Microelectromechanical systems contact stress sensor | |
| US7288762B2 (en) | Fine-adjustment mechanism for scanning probe microscopy | |
| Tian et al. | The novel structural design for pressure sensors | |
| JP5007083B2 (ja) | 力覚センサ用チップ | |
| US12013296B2 (en) | Strain-measuring structure having a structured carrier | |
| US20180372564A1 (en) | Multi-axial force sensor, method of manufacturing the multi-axial force sensor, and method for operating the multi-axial force sensor | |
| CN101657729A (zh) | 具有接触探测器的装置 | |
| CN114136526B (zh) | 一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器 | |
| Elbestawi | Force measurement | |
| CA2927374A1 (en) | Load cell having an elastic body | |
| Subasi et al. | A novel triaxial optoelectronic based dynamometer for machining processes | |
| Hamdana et al. | Transferable micromachined piezoresistive force sensor with integrated double-meander-spring system | |
| US20240167896A1 (en) | Device for measuring deformations, stresses, forces and/or torques in a plurality of axes | |
| JP2022191485A (ja) | 多軸触覚センサ | |
| JP2018532124A (ja) | 力測定装置 | |
| WO2020175155A1 (ja) | 圧力センサ | |
| WO2015164931A2 (en) | Contact microelectromechanical sensor and method for position monitoring therewith | |
| RU2362236C1 (ru) | Матрица интегральных преобразователей давления | |
| US11099243B2 (en) | Differential magnetic load cells for compact low-hysteresis force and torque measurements | |
| JP2007064786A (ja) | 力センサ | |
| Xiaotao et al. | Research on a novel sensor for measuring force in arbitrary direction | |
| Domanski et al. | Design, fabrication and characterization of force sensors for nanorobot | |
| Zhou et al. | A self-decoupling piezoresistive sensor for measuring microforce in horizontal and vertical directions | |
| KR101924546B1 (ko) | 압력 계측 장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |