Die
Erfindung betrifft einen Mikrokraftsensor, der insbesondere für
CMM- und AFM-Anwendungen geeignet ist und einen Stab mit einem in
drei Richtungen bewegbaren, als Messorgan dienenden Vorderende aufweist.The
The invention relates to a micro force sensor, in particular for
CMM and AFM applications is suitable and a rod with a in
has three directions movable, serving as a measuring element front end.
Zur
Lokalisierung und Messung geometrischer Punkte an Bauteilen und
allgemein zur Ermittlung der Konturen von Bauteiloberflächen
werden in der Maschinenbautechnik und insbesondere im Automobilbau
sog. CMM-Messeinrichtungen (CMM = Coordinate Measuring Machines)
verwendet. Für viele Anwendungszwecke sind CMM-Messeinrichtungen
ausreichend, die Genauigkeiten von 100 nm ermöglichende
Messsonden aufweisen, die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch
als Mikrokraftsensoren oder allgemein als Kraftsensoren bezeichnet
werden. Für Eichzwecke und andere Anwendungen werden allerdings
Genauigkeiten von 10 nm bis 20 nm gefordert.to
Localization and measurement of geometric points on components and
generally for determining the contours of component surfaces
are used in mechanical engineering and especially in automotive engineering
so-called CMM measuring devices (CMM = Coordinate Measuring Machines)
used. For many applications are CMM measuring devices
sufficient to allow the accuracies of 100 nm
Measuring probes, which in the context of the present application also
as micro force sensors or generally referred to as force sensors
become. For calibration purposes and other applications, however
Accuracies of 10 nm to 20 nm required.
CMM-Mikrokraftsensoren
für Messungen im Mikro- und Nanobereich werden in der Regel
in Hybridtechnik aus Silizium und Stahl hergestellt. Sie ermöglichen
zwar grundsätzlich Messungen mit drei Freiheitsgraden bzw.
in drei Dimensionen (meistens entsprechend den x-, y- und z-Achsen
von rechtwinkligen kartesischen Koordinatensystemen), doch werden
vergleichsweise hohe Steifigkeiten (geringe mechanische Empfindlichkeiten)
im Bereich von einigen 100 Newton pro Meter und geringe Eigenfrequenzen von
z. B. etwa 100 Hz erhalten. Nachteilig an derartigen Sonden ist
außerdem, dass ausreichend genaue Messungen nur in einer
oder zwei Richtungen (1D- bzw. 2D-Messungen) möglich sind,
während bei 3D-Messungen zumindest in einer Richtung eine
wesentlich geringere Genauigkeit erzielt wird. Das ist eine Folge
davon, dass das Verhältnis der Empfindlichkeiten in den
drei Richtungen zueinander (nachfolgend kurz als Empfindlichkeitsverhältnis
bezeichnet) etwa 1:1:4 bis 1:1:30 beträgt. Das ist unerwünscht,
weil Präzisionsmessungen ein Empfindlichkeitsverhältnis
von nahezu 1:1:1 voraussetzen.CMM micro-force sensors
For measurements in the micro and nano range are usually
manufactured in hybrid technology from silicon and steel. they allow
Although in principle measurements with three degrees of freedom or
in three dimensions (mostly according to the x, y and z axes
rectangular Cartesian coordinate systems), but will be
comparatively high stiffnesses (low mechanical sensitivities)
in the range of a few 100 Newton per meter and low natural frequencies of
z. B. about 100 Hz. A disadvantage of such probes
Moreover, that sufficiently accurate measurements only in one
or two directions (1D or 2D measurements) are possible,
while in 3D measurements at least in one direction a
much lower accuracy is achieved. That's a consequence
that the ratio of the sensitivities in the
three directions to each other (hereinafter abbreviated as the sensitivity ratio
is about 1: 1: 4 to 1: 1: 30. That's undesirable
because precision measurements have a sensitivity ratio
of nearly 1: 1: 1 presuppose.
Dagegen
weisen AFM-Messeinrichtungen (AFM = Atomic Force Microscopy) jeweils
eine Messsonde bzw. einen Mikrokraftsensor in Form eines einseitig
eingespannten Biegebalkens (Cantilever) auf (z. B. DE 103 07 561 A1 ), der
an seinem der Messung dienendem Vorderende mit einer feinen Spitze versehen
ist, die einen Krümmungsradius bis herab zu etwa 10 nm
haben kann. Eine derartige AFM-Messeinrichtung kann im Prinzip für
dieselben Zwecke wie eine CMM-Messeinrichtung verwendet werden, da
die Cantileverspitze beim Abtasten einer Bauteiloberfläche
deren Kontur folgt. Die sich dabei ergebenden Biegezustände
des Biegebalkens liefern Informationen, aus denen das Oberflächenprofil
errechnet werden kann. Mikrokraftsensoren für AFM-Zwecke
werden unter Anwendung verschiedener Ätztechniken meistens
aus einem Siliziumsubstrat hergestellt. Sie zeichnen sich durch
eine geringe Steifigkeit (hohe mechanische Empfindlichkeit), eine
hohe, große Abtastgeschwindigkeiten ermöglichende
Eigenfrequenz von z. B. 1 kHz und wegen der scharfen Spitze ein
hohes Auflösungsvermögen auf. Ihr Nachteil besteht
jedoch darin, dass sie nur für 2D-Messungen geeignet sind.
Wegen der Steifigkeit des Biegebalkens in wenigstens einer Dimension
lassen sich einerseits keine Empfindlichkeitsverhältnisse
von etwa 1:1:1 realisieren. Andererseits besteht bei 3D-Messungen
die Gefahr, dass der Biegebalken bricht und der Kraftsensor dadurch
unbrauchbar wird.In contrast, AFM measuring devices (AFM = Atomic Force Microscopy) each have a measuring probe or a micro force sensor in the form of a cantilever clamped on one side (cantilever) (eg. DE 103 07 561 A1 ) provided at its measuring front end with a fine tip, which may have a radius of curvature down to about 10 nm. Such an AFM measuring device can in principle be used for the same purposes as a CMM measuring device, since the cantilever tip follows its contour when scanning a component surface. The resulting bending states of the bending beam provide information from which the surface profile can be calculated. Micro force sensors for AFM purposes are usually made from a silicon substrate using various etching techniques. They are characterized by a low rigidity (high mechanical sensitivity), a high, large sampling speeds enabling natural frequency of z. B. 1 kHz and because of the sharp tip on a high resolution. Their disadvantage, however, is that they are only suitable for 2D measurements. On account of the rigidity of the bending beam in at least one dimension, on the one hand no sensitivity ratios of approximately 1: 1: 1 can be realized. On the other hand there is a risk in 3D measurements that the bending beam breaks and the force sensor becomes unusable as a result.
Ausgehend
davon liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, einen
insbesondere für CMM- und AFM-Messungen geeigneten Mikrokraftsensor
zu schaffen, der in allen drei Dimensionen eine hohe Empfindlichkeit
besitzt, mit einem Empfind lichkeitsverhältnis von nahezu
1:1:1 herstellbar ist und eine hohe Eigenfrequenz besitzt.outgoing
thereof, the invention is based on the technical problem, a
especially for CMM and AFM measurements suitable micro force sensor
to create a high sensitivity in all three dimensions
has, with a sensitivity ratio of almost
1: 1: 1 can be produced and has a high natural frequency.
Gelöst
wird dieses Problem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.Solved
This problem is solved with the features of claim 1.
Die
Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass sich für alle
drei Richtungen (x, y, z) Steifigkeiten bzw. mechanische Empfindlichkeiten
von ca. 1 N/m bis 10 N/m, Empfindlichkeitsverhältnisse
von 1:1:1 und Eigenfrequenzen für alle drei Richtungen von
ca. 5 kHz bis 15 kHz erzielen lassen. Der erfindungsgemäße
Kraftsensor ermöglicht daher hohe Abtastgeschwindigkeiten
und Genauigkeiten bis herab zu 10 nm.The
Invention brings with it the advantage of being for all
three directions (x, y, z) stiffness or mechanical sensitivities
from about 1 N / m to 10 N / m, sensitivity ratios
of 1: 1: 1 and natural frequencies for all three directions of
about 5 kHz to 15 kHz can be achieved. The inventive
Force sensor therefore allows high scanning speeds
and accuracies down to 10 nm.
Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further
advantageous features of the invention will become apparent from the dependent claims.
Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Es zeigen:The
The invention will be described below in conjunction with the accompanying drawings
explained in more detail in one embodiment.
Show it:
1a schematisch
eine übliche Messsonde für eine CMM-Messeinrichtung; 1a schematically a common probe for a CMM measuring device;
1b schematisch
die Abtastung der Oberfläche eines Bauteils mit Hilfe der
Messsonde nach 1a; 1b schematically the scanning of the surface of a component with the help of the probe after 1a ;
2 eine
schematische und perspektivische Ansicht eines Kraftsensors für
eine AFM-Messeinrichtung; 2 a schematic and perspective view of a force sensor for an AFM measuring device;
3a eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen, für
CMM- und AFM-Messungen geeigneten Mikrokraftsensors; 3a a side view of a micro force sensor according to the invention, suitable for CMM and AFM measurements;
3b eine
Draufsicht auf den Mikrokraftsensor nach 3a; 3b a plan view of the micro force sensor according to 3a ;
3c eine
perspektivische Ansicht des Kraftssensors nach 3a und 3b,
jedoch ohne Halteelement; 3c a perspective view of the force sensor according to 3a and 3b but without holding element;
4 und 5 Draufsichten
auf das Verhalten des Mikrokraftsensors nach 3a bis 3c unter
dem Einfluss einer in x- bzw. y-Richtung eines gedachten Koordinatensystems
wirkenden Kraft; 4 and 5 Top views on the behavior of the micro force sensor after 3a to 3c under the influence of a force acting in the x or y direction of an imaginary coordinate system;
6 eine
Seitenansicht des Mikrokraftsensors nach 3a bis 3c unter
dem Einfluss einer in z-Richtung des gedachten Koordinatensystems
wirkenden Kraft; 6 a side view of the micro force sensor after 3a to 3c under the influence of a force acting in the z direction of the imaginary coordinate system;
7 eine
schematische Draufsicht auf den erfindungsgemäßen
Mikrokraftsensor nach 3a bis 3c und
eine Vielzahl von an diesem angebrachten, piezoresistiven Sensoren; 7 a schematic plan view of the micro-force sensor according to the invention 3a to 3c and a plurality of attached thereto, piezoresistive sensors;
8a bis 8c schematisch
drei Schaltkreise, die die piezoresistiven Sensoren nach 7 enthalten
und je einer der drei Richtungen (x, y, z) zugeordnet sind; 8a to 8c schematically three circuits, the piezoresistive sensors after 7 contained and each one of the three directions (x, y, z) are assigned;
9 ein
Diagramm mit vier verschiedenen, gedachten Punkten für
mit einer FEM-Software ermittelte Empfindlichkeitsverhältnisse;
und 9 a diagram with four different imaginary points for sensitivity ratios determined with a FEM software; and
10 in
Schritten a. bis f. schematisch die Herstellung des empfindungsgemäßen
Mikrokraftsensors. 10 in steps a. to f. schematically the production of the sensible micro force sensor.
1a zeigt
eine Messsonde 1 einer an sich bekannten CMM-Messeinrichtung.
Die Messsonde 1 enthält einen Schaft 2 mit
einem als Messelement dienenden Vorderende 3, das in der
Regel als Kugel ausgebildet ist. Der Schaft 2 ist in einem
Kugelgelenk 4 dreh- bzw. schwenkbar gelagert. Im Falle
eines sog. schaltenden Systems werden die Bewegungen des Schafts 2 mit
Triggersensoren 5 (z. B. für die x-Richtung) und 6 (z.
B. für die z-Richtung) ermittelt. Die Ermittlung der mit
dem Vorderende 3 angefahrenen Punkte einer profilierten
Oberfläche 7 eines Werkstücks 8 erfolgt
in bekannter Weise unter Anwendung eines Rechners. 1a shows a probe 1 a known CMM measuring device. The measuring probe 1 contains a shaft 2 with a serving as a measuring element front end 3 , which is usually designed as a ball. The shaft 2 is in a ball joint 4 rotatably or pivotally mounted. In the case of a so-called switching system, the movements of the shaft 2 with trigger sensors 5 (eg for the x-direction) and 6 (eg for the z direction). The determination of the front end 3 approached points of a profiled surface 7 a workpiece 8th takes place in a known manner using a computer.
1b zeigt
schematisch die Abtastung von sechs Oberflächenpunkten
durch Relativbewegung der Messsonde 1 und des Werkstücks 8,
hier in x- und z-Richtung. 1b schematically shows the sampling of six surface points by relative movement of the probe 1 and the workpiece 8th , here in x and z direction.
In 2 ist
demgegenüber ein Mikrokraftsensor 10 einer an
sich bekannten AFM-Messeinrichtung dargestellt. Der Kraftsensor 10 enthält
einen einseitig eingespannten Biegebalken bzw. Cantilever 11,
der mit einem Hinterende an einem Halteelement 12 befestigt
ist. An einem Vorderende weist der Biegebalken 11 eine
das eigentliche Messelement bildende feine Spitze 14 auf,
die auf eine abzutastende Oberfläche 15 eines
Bauteils 16 aufgelegt oder mit einem sehr kleinen Abstand
von dieser angeordnet wird. Die Biegezustände des Biegebalkens 11,
die sich beim Einwirken einer Kraft auf die Spitze 14 ergeben,
werden z. B. mit Hilfe von nicht dargestellten, piezoresistiven
Sensoren ermittelt, die in den Biegebalken eingelassen sind (z.
B. DE 103 07 561 A1 ).In 2 is in contrast a micro force sensor 10 a known AFM measuring device shown. The force sensor 10 contains a cantilever clamp or cantilever clamped on one side 11 , with one rear end attached to a retaining element 12 is attached. At a front end, the bending beam 11 a fine tip forming the actual measuring element 14 on top of a surface to be scanned 15 a component 16 placed on top or at a very small distance from it. The bending states of the bending beam 11 , the impact of a force on the top 14 arise, z. B. with the aid of piezoresistive sensors, not shown, which are embedded in the bending beam (eg. DE 103 07 561 A1 ).
3a bis 3c zeigen
einen erfindungsgemäßen Kraftsensor 18.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird die Ausbildung
und Wirkungsweise des Kraftsensors 18 nachfolgend anhand
des aus der Zeichnung ersichtlichen xyz-Koordinatensystems erläutert,
wobei jedoch klar ist, dass die Wahl der Achsen an sich beliebig
ist. Der Kraftsensor 18 enthält ein Halteelement 19 mit
einer Oberfläche 20, die vorzugsweise eben und
parallel zur xy-Ebene des gedachten Koordinatensystems angeordnet
ist. Der Kraftsensor 18 enthält weiter einen geraden,
langgestreckten, vorzugsweise durch Fachwerk-Bauweise versteiften
Stab 21 mit einer Längsachse 22, die
im Ausführungsbeispiel parallel zur y-Achse und auch parallel
zur xy-Ebene angeordnet ist. Ein freies Vorderende 21a des
Stabs 21 bildet das eigentliche Messelement und weist zu
diesem Zweck analog zum Biegebalken 11 nach 2 vorzugsweise
eine feine Spitze 23 auf, die hier z-Richtung vom Stab 21 absteht. 3a to 3c show a force sensor according to the invention 18 , For a better understanding of the invention, the training and operation of the force sensor 18 will be explained with reference to the apparent from the drawing xyz coordinate system, but it is clear that the choice of the axes in itself is arbitrary. The force sensor 18 contains a retaining element 19 with a surface 20 , which is preferably arranged flat and parallel to the xy plane of the imaginary coordinate system. The force sensor 18 further includes a straight, elongated, preferably stiffened by truss construction rod 21 with a longitudinal axis 22 which is arranged in the embodiment parallel to the y-axis and also parallel to the xy-plane. A free front end 21a of the staff 21 forms the actual measuring element and has for this purpose analogous to the bending beam 11 to 2 preferably a fine tip 23 on, here z direction from the bar 21 projects.
Der
Stab 21 ist als Ganzes derart beweglich mit dem Halteelement 19 verbunden,
dass sein Vorderende 21a wenigstens drei Freiheitsgrade
aufweist, wie weiter unten näher erläutert ist.
Die Verbindung des Stabs 21 mit dem Halteelement 19 erfolgt mit
zwei Paaren von (doppelt gefalteten) biegbaren Tragbalken 24, 25 bzw. 26 und 27.
Die beiden Tragbalken 24, 25 sind an einem Hinterende 21b des Stabs 21 und
sym metrisch zu einer Mittelebene des Stabs 21, die die
Längsachse 22 enthält und parallel zur
yz-Ebene verläuft, auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Stabs 21 angeordnet. Der Tragbalken 24 ist
nach Art einer U-förmigen Feder ausgebildet, die gemäß 3b ein
erstes, fest mit dem Hinterende 21b des Stabs 21 verbundenes
Ende 24a und ein zweites, fest mit dem Halteelement 19 verbundenes
Ende 24b aufweist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der
Tragbalken 24 zwei parallel zueinander angeordnete, blattfederartige
Tragarme 24c, 24d aufweist, die sich mit einem
vorgewählten Abstand gegenüberstehen. Die Tragarme 24c, 24d sind
einerseits mit den Enden 24a bzw. 24b versehen,
andererseits an entgegengesetzten Enden durch ein Verbindungsstück 28 starr
miteinander verbunden. Außerdem liegen die Tragarme 24c, 24d zweckmäßig
quer zur Längsachse 22 des Stabs 21,
indem ihre Mittelebenen in je einer zur xz-Ebene des gedachten Koordinatensystems
parallelen Ebene und damit senkrecht zur Oberfläche des
Halteelements 19 liegen.The rod 21 as a whole is so movable with the retaining element 19 connected to that, its front end 21a has at least three degrees of freedom, as explained in more detail below. The connection of the staff 21 with the holding element 19 is made with two pairs of (double folded) bendable support beams 24 . 25 respectively. 26 and 27 , The two stringers 24 . 25 are at a tail end 21b of the staff 21 and sym metric to a median plane of the rod 21 that the longitudinal axis 22 and parallel to the yz plane, on opposite sides of the rod 21 arranged. The stringers 24 is designed in the manner of a U-shaped spring according to 3b a first, stuck with the back end 21b of the staff 21 connected end 24a and a second, fixed to the holding element 19 connected end 24b having. It is particularly advantageous if the support beam 24 two mutually parallel, leaf spring-like support arms 24c . 24d which face each other at a preselected distance. The support arms 24c . 24d are on the one hand with the ends 24a respectively. 24b provided, on the other hand at opposite ends by a connecting piece 28 rigidly connected. In addition, the support arms are 24c . 24d appropriate transverse to the longitudinal axis 22 of the staff 21 in that their center planes are parallel in each plane parallel to the xz-plane of the imaginary coordinate system and thus lower right to the surface of the retaining element 19 lie.
Der
Tragbalken 25 ist entsprechend aufgebaut und infolgedessen
mit einem Ende 25a am Hinterende 21b des Stabs 21 und
mit dem anderen Ende 25b am Halteelement 19 befestigt.The stringers 25 is structured accordingly and consequently with an end 25a at the back end 21b of the staff 21 and with the other end 25b on the holding element 19 attached.
Zur
Befestigung der Enden 24b, 25b der Tragbalken 24, 25 am
Halteelement 19 dienen Verankerungspunkte 29,
die durch zwischen ihnen und dem Halteelement 19 angeordnete
Abstandhalter 30 (3a) mit
einem vorgewählten Abstand in z-Richtung oberhalb von der
Oberfläche 20 des Halteelements 19 gehalten
sind. Die Tragbalken 24, 25 bilden somit insgesamt
ein erstes, dem Hinterende 21b des Stabs 21 zugeordnetes
Paar von Verbindungselementen, die den Stab 21 federnd
mit dem Halteelement 19 verbinden.For fixing the ends 24b . 25b the stringers 24 . 25 on the holding element 19 serve anchoring points 29 passing through between them and the retaining element 19 arranged spacers 30 ( 3a ) at a preselected distance in the z-direction above the surface 20 of the holding element 19 are held. The stringers 24 . 25 thus form a total of the first, the rear end 21b of the staff 21 associated pair of fasteners connecting the rod 21 resilient with the retaining element 19 connect.
Die
Tragbalken 26 und 27 sind wie die Tragbalken 24, 25 ausgebildet
und angeordnet. Sie bilden ein zweites Paar von Verbindungselementen,
durch die der Stab 21 ebenfalls federnd mit dem Halteelement 19 verbunden
ist. Allerdings sind die Tragbalken 26, 27 einem
mittleren Bereich des Stabs 21 zugeordnet, wobei sie mit
jeweils einem Ende 26a, 27a an einer mittleren
Befestigungsstelle 21c des Stabs 21 befestigt sind.
Ihre jeweils anderen Enden 26b, 27b sind analog
zu den Tragbalken 24, 25 mittels Verankerungspunkten 29 und
Abstandhaltern 30 am Halteelement 19 befestigt.
Außerdem bestehen die Tragbalken 26, 27 vorzugsweise
wie die Tragbalken 24, 25 aus je zwei blattfederartig
ausgebildeten Tragarmen 26c, 26d sowie 27c und 27d,
wie aus 3b und 3c ersichtlich
ist.The stringers 26 and 27 are like the stringers 24 . 25 trained and arranged. They form a second pair of fasteners through which the rod passes 21 also resilient with the retaining element 19 connected is. However, the stringers are 26 . 27 a central area of the staff 21 assigned, each with one end 26a . 27a at a middle attachment point 21c of the staff 21 are attached. Their respective other ends 26b . 27b are analogous to the stringers 24 . 25 by means of anchoring points 29 and spacers 30 on the holding element 19 attached. In addition, there are the stringers 26 . 27 preferably like the stringers 24 . 25 from two leaf spring-like support arms 26c . 26d such as 27c and 27d , like out 3b and 3c is apparent.
Gemäß 3a bis 3c bilden
der Stab 21 und die Tragbalken 24 bis 27 eine
zusammenhängende Baueinheit, die mit einem vorgewählten
Abstand oberhalb der Oberfläche 20 des Halteelements 19 federnd
abgestützt ist und sich daher relativ zum Halteelement 19 bewegen
kann, wie nachfolgend anhand der 4 bis 6 näher
erläutert ist.According to 3a to 3c form the bar 21 and the stringers 24 to 27 a coherent unit, with a preselected distance above the surface 20 of the holding element 19 is resiliently supported and therefore relative to the retaining element 19 can move, as follows from the 4 to 6 is explained in more detail.
In 4 ist
angenommen, dass auf das Vorderende 21a bzw. 23 eine
Kraft Fx in x-Richtung, d. h. senkrecht zur Längsachse 22 und
parallel zur Oberfläche 20 des Halteelements 19 ausgeübt
wird. Der Kraftsensor 18 reagiert in der aus 4 ersichtlichen
Weise, da die auftretenden Momente eine Verbiegung der einzelnen
Tragarme 24c, 24d bis 27c, 27d zur
Folge haben. In 4 bis 6 ist zum
besseren Verständnis jeweils mit dicken schwarzen Linien
die Lage bzw. der Biegezustand der Tragbalken 24 bis 27 unter
dem Einfluss der jeweiligen Kraft, mit dünnen Linien dagegen
die Lage der Tragbalken 24 bis 27 im unbelasteten
Zustand dargestellt.In 4 is believed to be on the front end 21a respectively. 23 a force Fx in the x-direction, ie perpendicular to the longitudinal axis 22 and parallel to the surface 20 of the holding element 19 is exercised. The force sensor 18 reacts in the out 4 apparent manner, since the moments occurring a bending of the individual support arms 24c . 24d to 27c . 27d have as a consequence. In 4 to 6 is for better understanding in each case with thick black lines the position or the bending state of the support beams 24 to 27 under the influence of the respective force, with thin lines, however, the position of the supporting beams 24 to 27 shown unloaded.
Wegen
der fachwerkartigen Struktur des Stabs 21 hat das Einwirken
der Kraft Fx allenfalls eine sehr kleine, vernachlässigbare
Verbiegung des Stabs 21 in x-Richtung zur Folge. Dagegen
wird der Stab 21 als Ganzes etwa um seine mittlere Befestigungsstelle 21c geschwenkt,
so dass die beiden Paare von Tragbalken 24, 25 bzw. 26, 27 antisymmetrisch
verbogen werden. Das Vorderende 21a und die Spitze 23 werden
somit längs einer schwach gekrümmten Bahn verschoben,
die jedoch mit guter Annäherung als linear betrachtet werden
kann.Because of the truss-like structure of the staff 21 At most, the action of force Fx has a very small, negligible deflection of the rod 21 in the x-direction result. On the other hand, the staff 21 as a whole about its middle attachment point 21c pivoted so that the two pairs of stringers 24 . 25 respectively. 26 . 27 be bent anti-symmetrically. The front end 21a and the top 23 are thus shifted along a slightly curved path, which, however, can be regarded as linear with good approximation.
5 zeigt
die Verhältnisse, wenn eine Kraft Fy parallel zur Längsachse 22,
d. h. in y-Richtung auf das Vorderende 21b bzw. die Spitze 23 einwirkt.
Da der Stab 21 wegen des fachwerkartigen Aufbaus in y-Richtung
eine sehr hohe Steifigkeit besitzt, ist seine Verformung vernachlässigbar.
Der Stab 21 wird jedoch als Ganzes gegen die Kraft der
federnden Tragbalken 24 bis 27 parallel zur y-Achse
linear verschoben. Die Tragarme 24a, 24b usw.
verbiegen sich dabei im Wesentlichen symmetrisch. 5 shows the relationships when a force Fy parallel to the longitudinal axis 22 , ie in y-direction on the front end 21b or the tip 23 acts. Since the rod 21 because of the truss-like structure in the y-direction has a very high rigidity, its deformation is negligible. The rod 21 However, as a whole it is against the force of the resilient stringers 24 to 27 shifted linearly parallel to the y-axis. The support arms 24a . 24b etc. bend substantially symmetrically.
Wirkt
schließlich gemäß 6 eine Kraft
Fz auf das Vorderende 21a bzw. die Spitze 23 des
Stabs 21 ein, dann wird der Stab 21 in z-Richtung
verbogen, da insbesondere die mit der Befestigungsstelle 21c verbundenen
Tragarme 26c, 27c verdrillt werden. Das Vorderende 21a und
die Spitze 23 werden daher längs einer schwach
gekrümmten Bahn verschoben, die jedoch mit guter Annäherung
als in z-Richtung linear betrachtet werden kann.Finally works according to 6 a force Fz on the front end 21a or the tip 23 of the staff 21 one, then the staff 21 Bent in the z-direction, especially with the attachment point 21c connected support arms 26c . 27c be twisted. The front end 21a and the top 23 are therefore displaced along a slightly curved path which, however, can be considered to be linear with good approximation as in the z direction.
Insgesamt
kann daher ein das Vorderende 21a und/oder die Spitze 23 enthaltendes
Messelement des Stabs 21 unter Verbiegung der beiden Paare
von federnden Tragbalken 24 bis 27 dreidimensional
bewegt werden.Overall, therefore, a the front end 21a and / or the top 23 containing measuring element of the rod 21 under bending of the two pairs of resilient stringers 24 to 27 be moved three-dimensionally.
Die
aus 4 bis 6 ersichtlichen Verbiegungen
der Tragarme 24c, 24d bis 27c, 27d werden zweckmäßig
mit Hilfe von piezoresistiven Sensoren R gemessen, wie es z. B.
bei Biegebalken von AFM-Sensoren allgemein bekannt ist ( DE 103 07 561 A1 ).
Diese Sensoren R werden in Form von piezoresistiven Schichten an
geeigneten Stellen in die Tragarme 24c, 24d bis 27c, 27d und
den Stab 21 integriert und vorzugsweise dort angeordnet,
wo sich unter dem Einfluss der Kräfte Fx, Fy und Fz die
größten Verbiegungen und damit die größten
lokalen mechanischen Spannungen ergeben, um ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis
zu erhalten.From 4 to 6 apparent bending of the support arms 24c . 24d to 27c . 27d are suitably measured with the aid of piezoresistive sensors R as z. B. is generally known at bending beam of AFM sensors ( DE 103 07 561 A1 ). These sensors R are in the form of piezoresistive layers at appropriate locations in the support arms 24c . 24d to 27c . 27d and the staff 21 integrated and preferably arranged where, under the influence of the forces Fx, Fy and Fz, the largest bends and thus the largest local mechanical stresses result in order to obtain a high signal-to-noise ratio.
Die
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgewählten Orte
für die piezoresistiven Sensoren R sind in 7 durch
schraffierte Bereiche schematisch dargestellt. Mit dicken schwarzen
Linien sind in 7 außerdem elektrische
Leitungen angedeutet, die von als schwarze Quadrate dargestellten
Anschlussstellen 31 bis 42 aus zu den verschiedenen Sensoren
R führen. Durch zusätzliche Angaben Aa bis Ae,
Ba bis Be und Ca bis Ce ist schließlich angedeutet, dass
insgesamt drei Gruppen von Sensoren R vorhanden sind, wobei die
Gruppe mit dem Buchstaben A zur Messung von Verschiebungen in x-Richtung,
die Gruppe mit dem Buchstaben B zur Messung von Verschiebungen in
z-Richtung und die Gruppe mit dem Buchstaben C für Messungen
von Verschiebungen in y-Richtung dient. Jede Gruppe von Sensoren
R ist außerdem entsprechend 8a bis 8c zu
je einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zusammengefasst
und mit einem Erdanschluss versehen, indem z. B. der Tragbalken 24 für eine
gemeinsame Erdleitung benutzt wird. Durch die Brückenschaltungen
sind Messungen im Differenzialmodus möglich, wodurch externe
Rauschquellen wie z. B. Temperatur- und Lichtänderungen
eliminiert werden. Jede Anschlussstelle 31 bis 42 ist
vorzugsweise elektrisch mit einem Bondpunkt verbunden, um ein externes
Interface und einen Prozessor für die erhaltenen Signale
anschließen zu können.The locations for the piezoresistive sensors R selected in the context of the present invention are in 7 Shown schematically by hatched areas. With thick black lines are in 7 In addition, electrical lines indicated by the connection points shown as black squares 31 to 42 out to the various sensors R lead. By additional information Aa to Ae, Ba to Be and Ca to Ce is finally ange indicates that a total of three sets of R sensors are present, the group with the letter A for measuring displacements in the x direction, the group with the letter B for measuring displacements in the z direction and the group with the letter C for Measurements of shifts in the y-direction are used. Each group of sensors R is also appropriate 8a to 8c combined into a Wheatstone bridge circuit and provided with a ground terminal by z. B. the stringers 24 is used for a common ground line. The bridge circuits allow measurements in differential mode, eliminating external noise sources such as noise. B. temperature and light changes are eliminated. Every connection point 31 to 42 is preferably electrically connected to a bond point to connect an external interface and a processor for the received signals.
Die
mit den beschriebenen Kraftsensor 18 erhältlichen
mechanischen Eigenschaften wurden mit Hilfe von FIM-Berechnungen
(FEM = Finite Element Modelling) simuliert. Als Koeffizienten der
mechanischen Steifigkeit wurden die Größen Kx
= Fx/Δx, Ky = Fy/Δy und Kz = Fz/Δz gemäß 4 bis 6 verwendet
und FEM-Methoden berechnet. 9 zeigt
ein Diagramm mit vier gedachten Punkten A bis D und den zugehörigen
Verhältnissen von Kz/Kx sowie Ky/Kx, wobei diese Punkte
durch Variation der geometrischen Abmessungen des Kraftsensors 18 erhalten
wurden, insbesondere durch Variation der Dicke W und der Länge
L der Tragbalken bzw. Tragarme und der Dicke T des Stabs 21.
Da die Steifigkeitskoeffizienten im Wesentlichen monoton und unabhängig
voneinander von den geometrischen Dimensionen abhängen,
kann aus bereits berechneten (simulierten) Punkten leicht auf Punkte
geschlossen werden, die mit anderen geometrischen Dimensionen erhalten
werden können.The with the described force sensor 18 Available mechanical properties were simulated using FIM calculations (FEM = Finite Element Modeling). As coefficients of mechanical rigidity, the quantities Kx = Fx / Δx, Ky = Fy / Δy and Kz = Fz / Δz were determined according to 4 to 6 used and FEM methods calculated. 9 shows a diagram with four imaginary points A to D and the associated ratios of Kz / Kx and Ky / Kx, these points by varying the geometric dimensions of the force sensor 18 were obtained, in particular by varying the thickness W and the length L of the support beams and the thickness T of the rod 21 , Since the stiffness coefficients are substantially monotone and independent of the geometric dimensions, it is easy to deduce from already calculated (simulated) points points that can be obtained with other geometric dimensions.
Der
am meisten erwünschte Punkt im Diagramm der 9 ist
der Ursprung des Koordinatensystems mit Kx = Ky = Kz, da dieser
Punkt ein Steifigkeits- bzw. Empfindlichkeitsverhältnis
von 1 repräsentiert. Dieser Punkt liegt innerhalb eines
Polygons, das durch die vier simulierten Punkte A bis D erhalten wurde.
Das zeigt, dass die Fabrikation eines Sensors mit dem Empfindlichkeitsverhältnis
1 möglich ist.The most desirable point in the diagram of the 9 is the origin of the coordinate system with Kx = Ky = Kz, since this point represents a stiffness ratio of 1. This point lies within a polygon obtained by the four simulated points A to D. This shows that the fabrication of a sensor with a sensitivity ratio of 1 is possible.
Es
ist nur erforderlich, im Einzelfall die exakten Dimensionen für
ein optimales Design zu finden, z. B. in den Bereichen L = 500 μm
bis 1000 μm, T = 16 μm bis 100 μm, W
= 4 μm bis 6 μm.It
is only necessary, in the individual case the exact dimensions for
to find an optimal design, eg. B. in the ranges L = 500 microns
up to 1000 μm, T = 16 μm to 100 μm, W
= 4 μm to 6 μm.
Die
Herstellung des erfindungsgemäßen Kraftsensors 18 erfolgt
zweckmäßig in einem Stück aus einem Silizium-Einkristall,
insbesondere gemäß 10 aus
einem Silizium-auf-Isolator-Wafer 43 (SOI) mit je einer
unteren und oberen Siliziumschicht 44, 45 und
einer dazwischen eingebrachten SIO2-Schicht 46.
Mit Ausnahme der zur Verbindung mit äußeren Elektroden
notwendigen elektrischen Leitungen wird gesamte Kraftsensor 18 als
integrierte Baueinheit hergestellt, ohne dass zusätzliche
Zusammenbauten im Mikrobereich erforderlich sind.The production of the force sensor according to the invention 18 suitably takes place in one piece from a silicon single crystal, in particular according to 10 from a silicon-on-insulator wafer 43 (SOI), each with a lower and upper silicon layer 44 . 45 and an interposed SIO 2 layer 46 , With the exception of the necessary for connection to external electrodes electrical lines becomes entire force sensor 18 manufactured as an integrated unit, without additional micro-assemblies are required.
Ein
für verschiedene Anwendungen wesentlicher Bestandteil des
Kraftsensors 18 ist die Spitze 23. Diese kann
gemäß 10a und 10b mit verschiedenen bekannten Technologien,
insbesondere durch nasses oder trockenes, isotropes oder anisotropes Ätzen
an der Oberseite oder am Boden des Wafers 43 hergestellt
werden. Der Winkel, unter dem die Achse der Spitze 23 zur
Längsachse 22 (3a) angeordnet
ist, kann entsprechend den Bedürfnissen unterschiedlich
gewählt werden und z. B. 90°, aber auch nur 55° betragen
(z. B. DE 103 33 485
A1 ).An integral part of the force sensor for various applications 18 is the top 23 , This can according to 10a and 10b with various known technologies, in particular by wet or dry, isotropic or anisotropic etching at the top or at the bottom of the wafer 43 getting produced. The angle under which the axis of the tip 23 to the longitudinal axis 22 ( 3a ) is arranged, can be chosen differently according to the needs and z. B. 90 °, but also only 55 ° (z. DE 103 33 485 A1 ).
Die
Ausbildung des mechanischen Halters 19 des Kraftsensors 18 wird
dadurch vorgenommen, dass die Rückseite des Wafers 43 nass
und anisotrop geätzt wird (10c).
Danach wird die endgültige Struktur des Kraftsensors 18 durch
trockenes, reaktives Ionenätzen der oberen SOI-Schicht 45 (10d) festgelegt. Das Muster wird mit streng
vertikalen Seitenwänden des Ätzprofils definiert.
Die SOI-Schicht 45 wird bis zur eingebrachten Oxidschicht 46 abgeätzt.
Der nächste Schritt ist dann das selektive Unterätzen
der SIO2-Schicht 46 mit einer HF-Lösung,
um die bewegbaren mechanischen Komponenten (Stab 21, Tragbalken 34 bis 27)
freizulegen und die stationären Teile (Verankerungspunkte 29,
Abstandhalter 30) herzustellen. Dies wird durch entsprechendes Design
des Bauelementmusters erreicht. Die Fachwerkstruktur des Stabs 21 und
die ebenfalls dünne Struktur der Tragbalken 24 bis 27 wird
durch schnelles Unterätzen freigelegt, während
unter den massiven quadratischen Verankerungspunkten 29 noch eine
Menge SIO2 als Abstandhalter 30 stehen
bleibt (10e). Die nächsten
Schritte dienen dann dazu, die elektrischen Schaltkreise festzulegen,
die in 7 und 8a bis 8c dargestellt
sind. Dies erfolgt z. B. durch Ausbildung von hochdotierten, leitenden
Linien 47 und mitteldotierten piezoresistiven Regionen
unter Bildung der Sensoren R und der Wheatstone'schen Brücken
(10f).The training of the mechanical holder 19 of the force sensor 18 This is done by holding the back of the wafer 43 wet and anisotropic etched ( 10c ). After that, the final structure of the force sensor 18 by dry, reactive ion etching of the upper SOI layer 45 ( 10d ). The pattern is defined with strictly vertical sidewalls of the etch profile. The SOI layer 45 is up to the introduced oxide layer 46 etched. The next step is to selectively under-etch the SIO 2 layer 46 with an HF solution to the moving mechanical components (rod 21 , Stringers 34 to 27 ) and the stationary parts (anchoring points 29 , Spacers 30 ). This is achieved by appropriate design of the device pattern. The truss structure of the staff 21 and the likewise thin structure of the stringers 24 to 27 is exposed by rapid undercutting while under the massive square anchoring points 29 still a lot of SIO 2 as a spacer 30 stop ( 10e ). The next steps will then be to set the electrical circuits in 7 and 8a to 8c are shown. This is done z. B. by the formation of highly doped, conductive lines 47 and middle doped piezoresistive regions to form the sensors R and the Wheatstone bridges ( 10f ).
Durch
die Erfindung wird insgesamt ein zumindest dreidimensional wirkender
Vielzweck-Kraftsensor 18 erhalten. Die Gesamtabmessungen
dieses Kraftsensors 18 betragen z. B. etwa 2 mm·2
mm bei einer Bauelement-Schichtdicke (Schicht 45 in 10)
von ca. 50 μm. Die Länge der Tragbalken 24 bis 27 kann
ca. 1 mm betragen, während die Dicke der Tragarme 24c, 24d usw.
und der Fachwerkstrukturen des Stabs 21 z. B. 5 μm
beträgt. Der Kraftsensor 18 hat daher in allen
drei Richtungen eine Steifigkeit von etwa 10 Nm und bei Bedarf ein
Empfindlichkeitsverhältnis von 1. Seine Eigenfrequenz liegt
z. B. im Bereich von 5 kHz bis 15 kHz.The invention provides a total of at least three-dimensional multi-purpose force sensor 18 receive. The overall dimensions of this force sensor 18 amount to z. B. about 2 mm x 2 mm at a device layer thickness (layer 45 in 10 ) of about 50 microns. The length of the stringers 24 to 27 can be about 1 mm, while the thickness of the support arms 24c . 24d etc. and the truss structures of the staff 21 z. B. 5 microns. The force sensor 18 Therefore, in all three directions has a stiffness of about 10 Nm and, if necessary, a sensitivity ratio of 1. His natural frequency is z. B. in the range of 5 kHz to 15 kHz.
Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel
beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden
kann. Insbesondere die angegebenen Maße stellen nur Beispiele
dar, von denen in Abhängigkeit von Einzelfall abgewichen
werden kan. Weiterhin ist klar, dass am Vorderende 21a des
Stabs anstelle der Spitze 23 analog zu 1 auch
eine Kugel oder irgendein anderes, die Messungen förderndes
Element vorgesehen sein oder das Vorderende 21a selbst
als Meßelement dienen könnte. Außerdem
versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als
den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden
können.The invention is not limited to the described embodiment, which can be modified in many ways. In particular, the dimensions given are only examples of which can be deviated depending on individual case kan. Furthermore, it is clear that at the front end 21a of the staff instead of the top 23 analogous to 1 also a bullet or any other element providing the measurements or the front end 21a itself could serve as a measuring element. It will also be understood that the various features may be applied in combinations other than those described and illustrated.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 10307561
A1 [0004, 0024, 0036] - DE 10307561 A1 [0004, 0024, 0036]
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- DE 10333485 A1 [0042] DE 10333485 A1 [0042]