CN1648625A - 应变片与测力元件的变形体的粘结 - Google Patents

Abstract

在具有变形体(1)和至少一个应变片(13)的测力元件中，其中该应变片具有布置在聚合物载体衬底(15)上的应变敏感的电阻轨道(14)并且通过无机—有机混合聚合物粘结层(16)粘结到变形体(1)上。在将应变片(13)固紧在测力元件的变形体(1)上的方法中，包括将溶液中的无机－有机混合聚合物的粘合剂涂敷到变形体(1)上，于是应变片(13)置于该混合聚合物层上，并且随后粘结层(16)在80℃至130℃之间的温度下硬化。对于该粘结层的硬化而言，连同应变片(13)的该变形体(1)暴露在该升高的温度下持续半小时至三小时。

Description

应变片与测力元件的变形体的粘结

技术领域

本发明涉及具有变形体和通过粘结层安装在该变形体上的至少一个应变片的测力元件，其中该至少一个应变片具有布置在载体衬底上的应变敏感的电阻轨道。本发明还涉及一种用于将应变片粘结到变形体上的方法。

背景技术

应变片具有上面布置了金属电阻轨道的载体衬底，该电阻轨道优选通过已知的化学蚀刻方法制成具有曲折结构的形状。也布置在载体衬底上的是用于接触该电阻轨道的连接器电极。该连接器电极通常与该电阻轨道一起在一个加工操作中制造，并且因此在大多数情况下它们具有相同的材料。电绝缘材料用于应变片的该载体衬底。取决于应用区域，载体衬底可以使用玻璃、陶瓷材料，在许多情形下可以使用聚合物、玻璃纤维增强聚合物或合成材料。应变片是测量元件，其中机械变形导致电阻的变化因此用于测量产生该变形的力。

在称重技术领域中，例如，作用在变形体上的力导致变形，该变形通过应变片转换成电信号。在根据这种原理工作的测力元件中，连接到变形体中可沿垂直方向移动的负载接收器上的称重托盘上的载荷导致该负载接收器相对于变形体的空间上的固定部产生位移。在优选实施例中，测力元件中使用的变形体具有通过位于平行四边形四个角落处的薄材料部形成的四个弹性弯曲区域，这样负载接收器布置成平行四边形的沿垂直方向可动的支腿，该支腿与优选紧固到称的外壳上固定的同样垂直平行四边形支腿相对。在该薄弯曲区域产生的变形值通过至少一个应变片根据电阻变化来进行测量，其中该应变片在大多数情况下通过电绝缘粘结层安装到该弯曲区域之一上。

因为它们的弹性特性，聚合物衬底材料是用于称重技术领域中使用的应变片的优选的选择，特别是聚酰亚胺，还有环氧树脂、酚醛树脂、密胺和酮。聚合物载体衬底具有刚度低的优点，这样它们的形状可以较容易地适应变形体。这特别地减少了粘结层上的机械应力。对于聚合物衬底而言，发现当刚性衬底粘结到变形体上时该粘结层很少产生滞后作用或破裂。另外，在应变片具有曲折样式的电阻轨道聚合物衬底的情况下，应变片通过已知的方法可以为载荷信号的漂移提供补偿，其中该方法是将该电阻轨道的返回回路设计具有适当选取的形状。此外，具有聚合物载体衬底的应变片更易于处理并且生产成本更低。

在传统的技术情况下，该粘结层使用环氧化合物，例如可从Vishay Micro-Measurements获得的商标为M-Bond 610或M-Bond43-B的环氧化合物。处于液态形式的这些粘结例如在室温下使用刷子涂敷到弯曲区域处的变形体上。接着，将应变片放在适当的位置上并且该粘结在炉中优选在压力下以及150℃至180℃之间的温度下进行硬化。在该升高的温度下的暴露时间是几个小时，通常6至8小时。

与使用这种粘结材料以及将该应变片粘结到变形体上的方法有关的缺陷是：一方面变形体在硬化过程中暴露在升高的温度下时会向着非弹性效应改变它的弹性特性，另一方面特别是在冷却过程期间会在安装的应变片中聚集所谓的热应力。取决于硬化温度和将导致这些压力释放的随后的存储温度，这在一段延长的时间周期即长达几个月的时间中仍可观测到。

例如商标ORMOCER下的已知的无机—有机混合聚合物是新型的粘结材料，该材料由在分子级上彼此连接并且穿透的无机和有机网络构成。它们在有酸性或基本催化剂存在时根据溶胶凝胶过程制得。它们的特点是具有高耐久性、对压力和划痕的强抵抗力以及极好的弹性模量。另外，它们的生产成本更低。例如，在DE 100 16 324A1中描述了在牙科技术领域中无机—有机混合聚合物的使用。

在DE 43 03 570 A1中描述了生产这些材料的一种方法。第一步，先发生交联的有机官能硅烷和至少一种金属化合物的水解缩聚。在某些情形下，在反应介质中存在可溶的非交联的有机官能硅烷和低挥发性氧化物时会产生这种冷凝。第二步，添加有机地交联的预聚合物，并且接着在第三步将该材料放在衬底上，第四步该材料通过辐射或热处理进行硬化。

该无机—有机混合聚合物具有较强的抗磨损和划痕的能力以及能够良好地粘结到任何基底材料例如金属、塑料玻璃和陶瓷上。该无机网络具有例如对该无机—有机混合聚合物的硬度和热稳定性的特性，而弹性由该有机网络确定。物理特性例如弹性模量或热膨胀系数受各级无机和有机交联之比的影响。该物理特性也可以通过添加的填充材料来进行改变。

在DE 101 38 423 A1中公开了无机—有机混合聚合物的层压粘结，其中改变的填充材料通过共价键或离子键而进入无机—有机聚合物网络中。这提高了该化合物系统特别是用于包装食品的箔片对气体和蒸汽的屏障作用。

发明内容

本发明的目的是为测力元件的变形体和将安装在该变形体上的应变片之间提供具有改善的特性的有效的粘结。

在具有其上安装了至少一个应变片的变形体的测力元件中，该应变片具有布置在聚合物载体衬底上的应变敏感的电阻轨道，并且通过无机—有机混合聚合物粘结层安装在变形体上。

在将应变片附着到测力元件的变形体上的方法中，溶液中的无机—有机混合聚合物被涂敷到变形体上，将应变片置于该粘合剂上，并且随后在80℃至130℃之间的温度下使该粘结层硬化。对于这个过程，具有应变片该变形体暴露在该升高的温度下持续半小时至三小时。

决定性的优点是：无机—有机混合聚合物在较短的时间中进行硬化，并且通常用于发生交联所需要的温度级比环氧粘合剂的温度级低，其中该环氧粘合剂是根据现有技术用于将应变片附着到测力元件的变形体上。

因此与现有技术相比，该变形体的粘弹性在相当大的程度上不那么显著了，这样，在测力元件的测量性能中就可以观察到数量减少的蠕变和较高的零点稳定性，其中变形体的粘弹性随着较高的温度级和变形体在该升高的温度中的较长暴露时间而增加，并且证明是一种永久的变化。

相比较而言，与根据现有技术在较高温度中暴露的粘结材料的粘结方法所产生的应力相比，粘结层较低的硬化温度和硬化时间致使在冷却阶段在应变片的粘结中的产生的应力减小了，藉此该热应力的释放显著缩短并且同时热应力值减小。

因为无机一有机混合聚合物的物理特性不仅可以通过选择基底材料成分和填充物质的添加而且还可以通过控制过程参数而设置为期望的目标值，所以就可以在很大程度上适应应变片的载体衬底材料的热膨胀系数和弹性模量。因此，通过无机—有机混合聚合物安装的应变片显示了更稳定的应变传递。

优选由铝做成的变形体设置有具有几个纳米厚的氧化铝层，通常众所周知的是该氧化铝层是在铝保存在空气中时形成的。该氧化层特别适合于在变形体和该无机—有机混合聚合物之间建立坚固的连接，因为混合聚合物与金属氧化物表面形成了占主导地位的共价键。另外，变形体的氧化铝层是多孔的，这样，粘结层在氧化铝层中的机械锚固主要通过无机成分形成，这同样有益于提高黏附力。

如果期望更坚固的固定作用，可以通过适当的措施来增大氧化铝层的厚度，例如通过在适度地升高的温度下将变形体暴露在氧气中或者在应变片附着之前经过化学或电化学预处理。

除极好的粘性之外，该无机—有机混合聚合物也具有防止水蒸气或氧气的特定屏障作用。因此，在特定载体衬底材料例如聚酰亚胺中可以抑制水分经由粘结层即从下方进入聚合物衬底材料的渗透。

已经安装在变形体上的应变片可以设置保护涂层作为附加的防止湿度的保护措施。该涂层优选具有表面光滑的层，该层直接涂敷到应变片上且同样由无机—有机混合聚合物构成，并且优选是与该粘结层匹配的无机—有机混合聚合物。该涂层还包括保护涂层，该保护涂层作为具有屏障层和中间层的一种多层的涂层配置在优选实施例中。优选该屏障层主要是无机材料，而中间层可以是聚合物或者是无机材料。

将溶液中的无机—有机混合聚合物在变形体上的涂敷优选通过填塞印刷技术来实现。这允许粘结层以规定的均匀厚度即在应变片区域上恒定的厚度进行涂敷。然而粘结层的均一性是实现包括变形体的测压元件中的有利的滞后行为和低漂移的基本先决条件。因为通过填塞印刷涂敷的无机—有机混合聚合物粘结层的形成稳定性比传统的粘合剂好，所以填塞印刷的粘结层具有的表面区域仅仅略大于应变片。

附图说明

接下来将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中：

图1描绘了称重单元的变形体的三维视图，其中应变片安装在形成弯曲枢轴的薄料部上；

图2描绘了由图1中的圆圈A框出的变形体部分的放大三维视图，它上面安装了应变片；

图3描绘了安装在变形体上的各个应变片的剖视图；

图4描绘了安装在变形体上的并且配备有防止水分渗透的保护涂层的各个应变片的剖视图。

具体实施方式

图1显示了称重单元的变形体1，其中四个弹性弯曲区域2、3、4、5布置在平行四边形的拐角点处。弯曲区域2、3、4、5由位于整体式变形体1中央的切除部分8扩宽的端部6、7的曲线轮廓形成。变形体1中在图1左侧部分示出的负载接收器9沿垂直方向可动。如果载荷施加在称重托盘上，那么当弯曲区域2、3、4和15发生变形时，负载接收器9就相对于变形体1的固定部分11(在图中的右侧部分示出)沿垂直方向向下移动，其中称重托盘在图中没有示出但可以通过几个螺钉紧固到负载接收器9的螺孔10上，并且变形体1直接紧固到外壳或中间安装托架上。这一变形可通过在弯曲区域2和4处黏附地粘结到变形体1顶侧12上的应变片13来测量。应变片13具有优选以曲折样式布置在载体衬底15上的应变敏感电阻轨道14。电阻轨道14连接到连接器电极17上，其中电阻轨道14通过连接器电极17连接到传感器桥接电路(在此未示出)中。载体衬底14包括厚度在10和30微米之间的聚酰亚胺箔。优选应变片1 3不仅布置在变形体1顶侧上的弯曲区域2、4上，而且还布置在变形体1底端上的在图中不可见的弯曲区域上。应变片13经过粘结层16粘结到变形体1上。

粘结层16包括无机—有机混合聚合物。例如使用商标ORMOCER而为人所知的这类物质包括无机和有机网络结构。无机硅酸盐基网络结构的聚集经过烷氧基硅烷在受控下的水解和冷凝经由溶胶凝胶过程来实现，其中可以在受控制的方式下通过将添加的金属醇盐包括进该过程中对硅酸盐基网络进行改变。另外有机网络还通过借助于有机烷氧基化合物而引入材料中的有机官能类的聚合来聚集。活性的甲基丙烯酸、环氧、或乙烯类经由热或光化学处理而聚合。在DE 196 50 286 A1中描述的无机—有机混合聚合物可以视为粘结材料的实例。

除良好的粘性之外，无机—有机混合聚合物特别是当它们通过填充物质例如功能性SiO₂颗粒或Al₂O₃颗粒进行改变时，它们对防止水分渗透例如水蒸气具有比现有技术中的环氧粘合剂强五至十倍的屏障作用。这降低了水分经由粘结层16渗进聚酰亚胺衬底15的速度，而水分渗透将会导致不希望发生的聚酰亚胺材料的膨胀。

图2给出了由图1中的圆圈A框出的变形体1部分的放大图。如图1所示，图中显示了安装在变形体1顶侧上的弯曲区域2上的应变片13特别包括上述的粘结层16。粘结层16在变形体1上比应变片13盖住的表面区域略微大一些，以此确保黏附能够在载体衬底的整个表面区域上延伸。优选通过涂刷、滚筒或喷雾涂敷或填塞印刷将粘合剂涂敷到变形体上，这将在下文中更详细地进行描述。

图3通过变形体1的部分剖视图显示了黏附地附着到变形体1上的应变片13的配置，其中电阻轨道14在聚酰亚胺载体衬底15上。应该指出这一层和不同的部分并没有按比例画出。而且还示出了变形体1的部分18，部分18由铝构成并且在它的表面有氧化铝层19。粘结层16直接布置在氧化层铝19上并因此将金属氧化物与聚合物连接起来。

无机一有机混合聚合物与氧化铝层19形成共价键，因此确保良好的黏附作用。特别地，由于铝氧化层19的空隙率，所以就产生了粘结层16在氧化铝层1 9中的机械锚固。铝变形体通过适当的预处理，具体地说通过在氧气中加热到100℃以下的一个温度或者通过化学或电化学处理，氧化铝层19的厚度可以增大一个控制的数量并且它的空隙率可以改变以便提高粘结作用。

图4也描绘了如图3所示的配置的剖视图，其中应变片13上还另外覆盖了防止水分渗透的保护涂层20。该保护涂层20由无机材料构成并且在它的厚度范围上可以具有不均一的成分。在优选配置中，保护涂层20包括氮化硅与氧化硅交替的几个层，其中每个层的厚度位于50和200纳米之间。图4显示了保护涂层20的实例，其中保护涂层具有三层，即第一层为氮化硅22、第二层为氧化硅23并且第三层为氮化硅22。氮化硅层22用作屏障层而氧化硅层23用作中间层，这样的目的是为了覆盖屏障层的微孔和微裂纹。

多层的涂层20由表面光滑的聚合物层21垫底，例如该层21为丙烯酸盐或甲基丙烯酸聚合物层或无机一有机混合聚合物层，优选为与粘结层16匹配的类型。这种类型的层21用于使应变片13特别是边缘处的表面平滑，例如电阻轨道14的边缘处，藉此减小它们的左右两边的陡度。另外，不论是电阻轨道14还是载体衬底15上的表面的不规则性乃至缺陷或脏的颗粒都被覆盖住并且变平坦了。还会带来的一个结果是，当无机保护涂层20沉积在表面光滑的聚合物层21上时，无机保护涂层20中的微孔或毛细裂缝独立产生或者使下表面不规则的可能性就减小了。因此，为形成具有较少缺陷的多层无机保护涂层20提供了有利的条件，该保护涂层20沉积或设计成沉积在表面光滑的层21上。

保护涂层可以已经在将被安装的应变片13上存在，或也可以在它们通过粘结层16附着到变形体1上之后涂敷到应变片13上。在后种情形中，保护涂层20的部分以及下面的表面光滑的聚合物层21的一部分延伸超过应变片13并且覆盖变形体1的至少一部分，特别是变形体1中与应变片13搭界的区域。这进一步抑制水分渗进载体衬底15。

粘合剂是作为一种预冷凝的无机成分和有机成分的溶液而提供的，该有机成分优选为传统的助溶剂中的活性有机类。通过改变溶剂的比例，粘合剂的粘度可以适应所选取的涂敷方法例如通过涂刷、离心沉积、喷雾、滚筒涂敷、或填塞印刷的要求。

在将应变片13涂敷到测力元件的变形体1上的优选涂敷方法中，溶液中的无机—有机混合聚合物通过填塞印刷方法涂敷到变形体1上，于是应变片13置于由粘结溶液覆盖的表面区域上并且由光压向下推压。通过加温到80℃和130℃之间同时在应变片上施加100kN/m²和1000kN/m²之间的接触压力，粘结层16将会由于交联而变硬。该硬化温度取决于所选择的无机—有机混合聚合物的成分并且与在升高的温度中暴露的时间相配以便使变形体的粘弹性的增加减小到最低，其中暴露时间可以是一至三小时之间。应当指出这里铝的粘弹性已经通过将硬化温度从150℃降低到100℃而减小了50％。

借助填塞印刷规定方法，溶液中的无机—有机混合聚合物即粘合剂由弹性变形垫即塞头从具有刻蚀的凹槽区域的板即铅版上吸走，并且在应变片附着的位置处直接沉积在变形体上。一方面由于溶液具有适当调整的粘度，另一方面由于塞头的可变形能力，所以粘合剂可以在沉积中保持轮廓形状并且产生均匀的粘结层16。

具有通过根据本发明的粘结层安装的应变片的测力元件已经在优选实施例中进行了描述和显示。然而，对于本领域的技术人员来说，它们能够基于本发明的示教实现其它的实施例。例如应变片的用于载体衬底的材料并不限于聚酰亚胺。也可以使用其它的聚合物例如在称重技术领域中已发现有应用的用于应变片的环氧化合物、酚醛树脂、密胺和酮。在每种情形中用于粘结层的材料取决于载体衬底材料。这特别适用于无机—有机混合聚合物中的聚合物成分的变化。

参考符号列表

1    变形体

2    弯曲区域

3    弯曲区域

4    弯曲区域

5    弯曲区域

6    扩宽的端部的曲线轮廓

7    扩宽的端部的曲线轮廓

8    切除部分

9    负载接收器

10   螺孔

11   固定部分

12   变形体的顶侧

13   应变片

14   电阻轨道、电阻样式

15   载体衬底

16   粘结层

17   连接器电极

18   变形体的铝部

19   变形体上的氧化铝层

20   保护涂层

21   表面光滑的层

22   屏障层

23   中间层

Claims (10)

1.具有变形体(1)和至少一个应变片(13)的测力元件，该应变片具有布置在聚合物载体衬底(15)上的应变敏感的电阻轨道(14)并且通过粘结层(16)安装在变形体(1)上，其特征在于，粘结层(16)包括无机-有机混合聚合物。

2.如权利要求1所述的测力元件，其特征在于，变形体(1)由铝制成，其中变形体(1)在它的表面上具有由于化学、电化学或热处理而比自然的氧化层具有增大的厚度和/或增大的空隙率的氧化铝层(19)，藉此与粘结层(16)的粘结通过粘结层(16)在氧化铝层(19)中的机械锚固而加固。

3.如权利要求1或2所述的测力元件，其特征在于，该至少一个应变片(13)设置有防止水分渗透的保护涂层(20)，其中保护涂层(20)下面有表面光滑的聚合物层(21)。

4.如权利要求3所述的测力元件，其特征在于，该保护涂层(20)是多层的涂层，该涂层包含次序交替的屏障层(22)和中间层(23)，屏障层(22)特别为氮化硅并且中间层(23)特别为氧化硅。

5.如权利要求3或4所述的测力元件，其特征在于，位于该保护涂层(20)之下的该表面光滑的层(21)包括与粘结层(16)匹配的无机-有机混合聚合物。

6.将应变片(13)固紧在测力元件的变形体(1)上的方法，其特征在于，由溶液中的无机-有机混合聚合物构成的粘合剂被涂敷到变形体(1)上以便产生粘结层(16)，该应变片(13)置于该粘合剂上，并且随后在80℃至130℃之间的温度下通过将连同应变片(13)的该变形体(1)在该升高的温度下暴露半小时至三小时的期间从而使该粘结层(16)硬化。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该应变片(13)在硬化期间受到100kN/m²和1000kN/m²之间的接触压力。

8.如权利要求6或7所述的用于铝变形体(1)的方法，其特征在于，在涂敷粘合剂从而产生粘结层(16)之前，在40℃至100℃之间的温度下在氧气中加热该铝变形体(1)以便增加在铝变形体(1)表面上的氧化铝层(19)。

9.如权利要求6或7所述的用于铝变形体(1)的方法，其特征在于，在涂敷粘合剂从而产生粘结层(16)之前，该铝变形体(1)受到化学或电化学处理以便增加在铝变形体(1)表面上的氧化铝层(19)。

10.如权利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，用于产生该粘结层(16)的粘合剂的涂敷通过填塞印刷方法来执行。

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