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Die Erfindung betrifft einen Mikrokraftsensor zum Messen von Kräften im Nano-Millinewton-Bereich, mit einem länglichen Sensorelement, das (a) einen ersten Auflagerbereich an einem ersten Ende, (b) einen zweiten Auflagerbereich an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende, (c) einer Versteifungsmarkierung zwischen dem ersten Auflagerbereich und dem zweiten Auflagerbereich, (d) einen ersten Federbereich zwischen dem ersten Auflagerbereich und der Versteifungsmarkierung und (e) einen zweiten Federbereich zwischen dem zweiten Auflagerbereich und der Versteifungsmarkierung aufweist.
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Derartige Mikrokraftsensoren sind bekannt. Durch Ausübung einer Kraft auf den Versteifungsbereich, der auch als Boss bezeichnet wird, werden der erste Federbereich und der zweite Federbereich deformiert, was beispielsweise über piezoresistive Elemente detektiert wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das gemessene Signal, in der Regel eine Widerstandsänderung, eine nicht lineare Abhängigkeit zur ausübenden Kraft aufweist. Diese Nichtlinearität ist in der Steifigkeit des Materials des Federbereichs begründet und muss aus dem Messsignal herausgerechnet werden. Insbesondere im dynamischen Betrieb von Mikrokraftsensoren ist das hinderlich.
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Aus der
DE 10 2004 029 084 ist ein Mikrokraftsensor bekannt, der sich zur Erfassung von Mikrokräften eignet. Bei diesem Sensor tritt die oben beschriebene Nichtlinearität der Steifigkeit auf, so dass dynamische Messungen fehlerbehaftet sein können.
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Aus der
DE 10 2007 024 902 A1 ist ein Mikrokraftsensor bekannt, bei dem keine Versteifungsmarkierung vorhanden ist. Derartige Mikrokraftsensoren haben ein sehr großes Bauvolumen und sind daher für viele industrielle Messaufgaben nicht geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
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Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Mikrokraftsensor, bei dem zumindest einer der Federbereiche zumindest zweiflüglig, insbesondere zumindest vierflüglig, mäanderförmig ist.
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Vorteilhaft hieran ist, dass die Federkonstante, also die Steifigkeit des Sensorelements, im Wesentlichen unabhängig von der Auslenkung ist. In anderen Worten zeigt der Mikrokraftsensor eine hohe Linearität bezüglich des Messergebnisses in Abhängigkeit von der auf die Versteifungsmarkierung aufgebrachten Kraft. Das führt zu genaueren Messergebnissen.
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Vorteilhafterweise verringert sich der Auswerteaufwand, da das vom Sensorelement abgegebene Signal direkt durch Multiplikation mit einem Proportionalitätsfaktor in eine Kraft umgerechnet werden kann. Vorteilhaft ist das besonders beim dynamischen Betrieb des Mikrokraftsensors.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Mikrokraftsensor ein Kraftsensor verständen, der ausgebildet ist, um Kräfte unterhalb von einem Newton, insbesondere unterhalb von 500 Mikronewton, mit einer Genauigkeit von besser als 10–5 zu erfassen
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Vorzugsweise ist der Mikrokraftsensor ausgebildet zum Messen von Kräften von unter einem Millinewton mit Messgenauigkeit von besser als 10–6. Es existiert eine Vielzahl an Kraftsensoren, die auf die Größe der jeweils zu messenden Kraft abgestimmt sind. Für jeden Kraftmessbereich muss dabei eine geeignete Lösung gefunden werden. Für große Kräfte geeignete Herangehensweisen sind für Kräfte, insbesondere im Millinewton- oder Mikronewton-Bereich in der Regel nicht geeignet.
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Unter einem Auflagerbereich wird insbesondere eine Struktur des Sensorelements verstanden, die so ausgebildet ist, dass das Sensorelement in diesen Bereichen auf einer ebenen Trägerplatte so aufliegen kann, dass eine Kraft auf die Versteifungsmarkierung aufbringbar ist. Insbesondere hat das Sensorelement Brückenform, wobei die Auflagebereiche die Brückenköpfe bilden.
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Bei der Versteifungsmarkierung handelt es sich insbesondere um eine Verdickung des Sensorelements, die defür sorgt, dass die Kraft eingeleitet werden kann, ohne dass es in unmittelbarer Nähe des Krafteinleitungspunktes zu einer nennenswerten Deformation kommt. Die Verformung, die zum Detektieren der Kraft genutzt wird, findet zu mehr als 90% in den Federbereichen statt.
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Unter dem Merkmal, dass zumindest einer der Federbereiche zumindest zweiflüglig mäanderförmig ist, wird insbesondere verstanden, dass zumindest einer der Federbereiche zumindest zwei, insbesondere zumindest vier Bögen aufweist. Unter einem Bogen wird insbesondere eine Struktur verstanden, bei der zwei Abschnitte zumindest annähernd parallel verlaufen. Es ist aber auch möglich, dass die Abschnitte winklig zueinander verlaufen. Durch die Mäanderform deformiert sich der Federbereich über eine längere Strecke des Sensorelements, so dass pro Längenabschnitt eine geringere Deformation eintritt. Daraus folgt die hohe Linearität der Abhängigkeit der Auslenkung von der aufgebrachten Kraft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Auflagerbereiche und die Versteifungsmarkierung auf einer Geraden. Diese Aussage bezieht sich insbesondere auf die Schwerpunkte der Auflagerbereiche und der Versteifungsmarkierung andererseits. Insbesondere ist das Merkmal erfüllt, wenn ein Abstand des Massenschwerpunkts der Versteifungsmarkierung von einer Geraden durch die beiden Massenschwerpunkte der Auflagerbereiche kleiner ist als das 0,1-fache der Länge der Strecke. Auf diese Weise werden Torsionsmomente auf die Federbereiche weitgehend vermieden. Vorzugsweise ist die Versteifungsmarkierung bezüglich der Geraden auf halber Strecke zwischen den Auflagerbereichen angeordnet. Das führt dazu, dass beim Aufbringen einer Kraft auf die Versteifungsmarkierung sich die beiden Federbereiche um annähernd die gleichen Beträge deformieren. Das trägt zur Linearität der Abhängigkeit der Auslenkung von der ausgebrachten Kraft bei.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Mikrokraftsensor zumindest ein piezoresistives Element, des so auf dem Sensorelement angeordnet ist, dass mittels einer Bewegung der Versteifungsmarkierung relativ zu den Auflagerbereichen eine Widerstandsänderung des piezoresistiven Elements bewirkbar ist. Auf diese Weise kann die Auslenkung der Versteifungsmarkierung relativ zu den Auflagerbereichen erfasst werden, die mit hoher Linearität direkt von der Kraft abhängig ist, die auf die Versteifungsmarkierung wirkt.
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Vorzugsweise hat das Sensorelement eine Federkonstante von höchstens 1000 N / m . Es ergibt sich dann ein leicht zu handhabender Mikrokraftsensor.
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Vorzugsweise sind die Federbereiche so ausgebildet, dass eine Abweichung von einer Ausgleichsgeraden durch eine Kennlinie des Sensorelements im Bereich zwischen 0 Newton und 1 Newton höchstens 0,01 N beträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Mikrokraftsensor eine Auflage, die sich entlang einer Auflagerebene erstreckt und an der das Sensorelement mit dem ersten Auflagerbereich aufliegt, wobei zumindest der erste Federbereich eine Mehrzahl an Bögen aufweist, die an einer Mäanderebene verlaufen und wobei die Mäanderebene im Wesentlichen parallel zu Auflagerebene verläuft. Unter dem Merkmal, dass die Mäanderebene im Wesentlichen zur Auflagereben verläuft, wird insbesondere verstanden, dass eine Neigung von weniger als 20%, insbesondere weniger als 15% tolerierbar ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine senkrecht zur Auflage verlaufende Kraft, wie sie bei technischen Anwendungen besondere häufig ist, zu einer besonders hohen Messgenauigkeit führt.
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Vorzugsweise sind die Federbereiche vollständig innerhalb eines Hüllquaders um die Auflagerbereiche und die Versteifungsmarkierung angeordnet. Es ergibt sich so ein besonders kompakter Mikrokraftsensor, der auf äußere Einwirkung wenig empfindlich reagiert.
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Vorzugweise ist das Sensorelement einstückig ausgebildet, beispielsweise kann das Sensorelement aus einem Silizium-Einkristall herausgearbeitet, beispielsweise herausgeätzt, sein.
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Erfindungsgemäß ist zudem eine Kraftmessvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Mikrokraftsensor, bei dem zumindest ein piezoresistives Element einer Wheatstoneschen Brücke elektrisch verbunden ist. Auf diese – an sich bekannte Weise – lassen sich kleine Widerstandsänderungen besonders genau detektieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine maßstabsgerechte perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Mikrokraftsensors,
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2 die Kennlinien einerseits eines Heck-Mikrokraftsensors und andererseits eines erfindungsgemäßen Mikrokraftsensors,
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3 ein Sensorelement eines Mikrokraftsensors nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
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4 ein Sensorelement eines Mikrokraftsensors nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt einen Mikrokraftsensor 10 zur Messung einer Kraft F, mit einem ersten Auflagerbereich 12, einem zweiten Auflagerbereich 14, einer zwischen den beiden Auflagerbereichen 12, 14 liegenden Versteifungsmarkierung 16 sowie einem ersten Federbereich 18 zwischen dem ersten Auflagerbereich 12 und der Versteifungsmarkierung 15 und einem zweiten Federbereich 20 zwischen dem zweiten Auflagerbereich 14 und der Versteifungsmarkierung 18.
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Der erste Federbereich 18 und der zweite Federbereich 20 sind mäanderförmig ausgebildet. So besitzt der erste Federbereich 18 einen ersten Bogen 22.1, einen zweiten Bogen 22.2 und eine dritten Bogen 22.3, die ineinander übergehen und sich in einer Mäanderebene M erstrecken. Der erste Federbereich ist damit dreiflüglig. Der zweite Federbereich 20 ist spiegelsymmetrisch zum ersten Federbereich 18 ausgebildet, weist entsprechende Bögen 24.1, 24.2, 24.3 auf und ist damit ebenfalls dreiflüglig.
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Der erste Auflagerbereich 12 besitzt einen Massenschwerpunkt S12 und der zweite Auflagebereich 14 besitzt einen Massenschwerpunkt S14, die durch eine Strecke s verbindbar sind. Ein Massenschwerpunkt S16 der Versteifungsmarkierung 16 liegt auf dieser Strecke s oder dicht benachbarter Zugpunkte. Unter „dicht benachbart” wird verstanden, dass ein etwaiger Abstand des Massenechwerpunkts S16 der Versteifungsmarkierung 16 einen Abstand von höchstens dem 0,05-fachen der Strecke s von der Strecke s hat.
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Nach unten versetzt ist ein Hüllquader 26 eingezeichnet, der unter allen denkbaren Quadern den Quader minimalen Volumens bezeichnet, in dem das Sensorelement 11 vollständig aufgenommen ist.
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Der Mikrokraftsensor 10 umfasst auf seiner Rückseite R ein nicht eingezeichnetes piezoresistives Element, das über ebenfalls nicht eingezeichnete elektrische Leitungen mit einer nicht eingezeichneten Auswerteschaltung verbunden ist. Wirkt eine Kraft F auf die Versteifungsmarkierung 16, so deformieren sich die Federbereiche 18, 20, der Widerstand des piezoresistiven Elements ändert sich und die Auswerteschaltung errechnet aus dieser Änderung die Kraft F.
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2 zeigt im linken Teilbild eine Kennlinie 28, die die Kraft F über die Auslenkung z der Versteifungsmarkierung 16 aufträgt. Es ist zu erkennen, dass die Kennlinie 28 eine Nichtlinearität aufweist.
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Im rechten Teilbild ist hingegen eine Kennlinie 30 des erfindungsgemäßen Mikrokraftsensors 10 angegeben. Es ist zu erkennen, dass diese Kennlinie 30 im Wesentlichen ungekrümmt ist und damit einen hochgradig linearen Verlauf hat. Die Federkonstante κ = dF/dz ist damit von der Auslenkung im Wesentlichen unabhängig.
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Aufgrund der Tatsache, dass sich das Sensorelement 11 im Wesentlichen entlang einer Linie erstreckt, kann der Mikrokraftsensor als eindimensionaler Kraftsensor betrachtet werden.
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3 zeigt ein Sensorelement 11, bei dem der mäanderförmige Federbereich zweiflüglig ist, wobei die Bögen 22, 24 eine Zickzack-Struktur haben.
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4 zeigt ein Sensorelement 11, bei dem die Mäanderebene M der Bögen 22, 24 senkrecht zur Auflagerebene verläuft.
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Der vorgestellte Mikrokraftsensor kann beispielsweise in taktilen Koordinatenmessmaschinen eingesetzt werden. Das Sensorelement 11 wird beispielsweise durch Herausätzen der in 1 gezeigten Strukturen aus einem Silizium-Einkristall hergestellt. Des piezoresistive Element kann beispielsweise auf das Sensorelement 11 aufgedampft oder durch andere, in der Mikroelektroniktechnologie etablierte Verfahren wie Diffusion und Implantation, eingebracht werden. Vorzugsweise ist der Mikrokraftsensor so auf einer Unterlage in Form einer Auflage 32 befestigt, dass die Auflagebereiche 12, 14 fest mit der Auflage verbunden sind. In dem Punkt, in dem die Auflagebereiche 12, 14 mit der Auflage 32 verbunden sind, weist die Auflage 32 eine Erhebung 34 auf, so dass die Versteifungsmarkierung 16 von den beiden Federbereichen 18, 20 gehalten im Raum schwebt und auf die Auflagevorrichtung zu bewegt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Mikrokraftsensor
- 11
- Sensorelement
- 12
- erster Auflagerbereich
- 14
- zweiter Auflagerbereich
- 18
- Versteifungsmarkierung
- 18
- erster Federbereich
- 20
- zweiter Federbereich
- 22
- Bogen
- 24
- Bogen
- 28
- Hüllquader
- 28
- Kennlinie
- 30
- Kennlinie
- 32
- Auflage
- 34
- Erhebung
- A
- Auflagereben
- F
- Kraft
- G
- Gerade
- M
- Mäanderebene
- R
- Rückseite
- S
- Schwerpunkt
- s
- Strecke
- Z
- Auslenkung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004029084 [0003]
- DE 102007024902 A1 [0004]
