DE102010025633B4 - Device for measuring small and large forces - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zur Messung einer Kraft (F) mit einem Verformungskörper, dadurch gekennzeichnet, – dass der Verformungskörper aus Silizium ist und aus zwei Siliziumverformungsteilkörpern (2.1 ; 2.2) besteht, welche mit Aussparungen (5) versehen sind, – dass die zwei Siliziumverformungsteilkörper (2.1; 2.2) miteinander fest verbunden sind, – dass eine dünne Siliziummessplatte (4), die vier piezoresistive Widerstände (4.1; 4.2; 4.3; 4.4) enthält, mit dem Verformungskörper (2) fest verbunden ist. – und dass die an den Siliziumverformungsteilkörpern (2.1) und (2.2) angebrachten Aussparungen (5) symmetrisch zur Berührungsfläche der Siliziumverformungsteilkörper (2.1 und 2.2) angeordnet sind.Device (1) for measuring a force (F) with a deformation body, characterized in that - that the deformation body is made of silicon and consists of two silicon deformation parts (2.1; 2.2) which are provided with recesses (5), - that the two silicon deformation parts (2.1; 2.2) are firmly connected to one another, - that a thin silicon measuring plate (4) containing four piezoresistive resistors (4.1; 4.2; 4.3; 4.4) is firmly connected to the deformation body (2). - And in that the cutouts (5) provided on the silicon deformation parts (2.1) and (2.2) are arranged symmetrically to the contact surface of the silicon deformation parts (2.1 and 2.2).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung kleiner und großer Kräfte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for measuring small and large forces according to the preamble of
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen zur Kraftmessung bekannt.Various arrangements for force measurement are known from the prior art.
Entsprechend dem Stand der Technik werden metallische Verformungskörper mit aufgeklebten oder gesputterten Dehnungsmessstreifen verwendet. Aufgrund der elastischen Nachwirkungen von metallischen Verformungskörpern und der Dehnungsmessstreifen sind Präzisionskraftmesswandler serienmäßig nicht herstellbar. Ein weiterer Nachteil der aufgeklebten oder gesputterten metallischen Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass nur so genannte K-Faktoren von ca. 2 erreicht werden. Daraus folgt, dass nur geringe Messempfindlichkeiten gemessen in mV/V erzielt werden können.According to the state of the art, metallic deformation bodies with glued or sputtered strain gauges are used. Due to the elastic effects of metallic deformation bodies and the strain gages, precision force transducers can not be mass-produced. Another disadvantage of glued or sputtered metallic strain gages is that only so-called K factors of about 2 are achieved. It follows that only small measuring sensitivities measured in mV / V can be achieved.
Die Druckschriften K. W. Bonfig et al: Technische Druck- und Kraftmessung; Expert Verlag, 1998, ISBN 3-8169-0315-0 und Wolfgang Weiler: Handbuch der physikalisch-technischen Kraftmessung, Verlag Vieweg 1992 beschreiben derartige Vorrichtungen im Stand der Technik.The publications K.W. Bonfig et al: technical pressure and force measurement; Expert Verlag, 1998, ISBN 3-8169-0315-0 and Wolfgang Weiler: Handbook of physical-technical force measurement, Verlag Vieweg 1992 describe such devices in the art.
Es ist auch bekannt, Siliziumverformungskörper mit aufgesputterten Dehnungsmessstreifen zu verwenden. Obwohl mit dieser Anordnung sehr geringe elastische Nachwirkungen erreicht werden können, ergeben sich eine Reihe von Nachteilen: Die aufgesputterten Dehnungsmessstreifen weisen mit K = 2 auch eine geringe Messempfindlichkeit auf. Weiterhin sind die Kraftmessbereiche wenig variierbar.It is also known to use silicon strain bodies with sputtered strain gauges. Although very small elastic after-effects can be achieved with this arrangement, there are a number of disadvantages: The sputtered strain gauges have a low measuring sensitivity with K = 2. Furthermore, the force measuring ranges are little variable.
Solche Siliziumverformungskörper sind in der Druckschrift S. Mäuselein et al: Investigations of load cells made of singe-crystalline silicon with sputtered-on strain gauges; IMEKO, 20th TC3 International Conference Merida, Mexiko, 27–30 November 2007 beschrieben.Such silicon deformation bodies are described in the document S. Mäuselein et al .: Investigations of load cells made of singe-crystalline silicon with sputtered-on strain gauges; IMEKO, 20th TC3 International Conference Merida, Mexico, 27-30 November 2007.
Aus
Ferner ist in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Kraftmessung anzugeben, mit der sowohl kleine als auch große Kräfte gemessen werden können, und mit der die im Stand der Technik angegebenen Nachteile überwunden werden.The invention is based on the object to provide a device for force measurement, with both small and large forces can be measured, and with which the disadvantages indicated in the prior art are overcome.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a device having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Kräften mit einem Verformungskörper ist eine dünne Siliziummessplatte, die vier piezoresistive Widerstände enthält, mit einem Siliziumverformungskörper, bestehend aus zwei Siliziumverformungsteilkörpern, fest verbunden, wobei die Siliziumverformungsteilkörper ihrerseits miteinander fest verbunden sind. Die Siliziumverformungsteilkörper besitzen Aussparungen, die symmetrisch zu ihrer Berührungsfläche angebracht sind.In the device according to the invention for measuring forces with a deformation body, a thin silicon measuring plate, which contains four piezoresistive resistors, is fixedly connected to a silicon deformation body consisting of two silicon deformation partial bodies, wherein the silicon deformation partial bodies are in turn firmly connected to one another. The silicon deformation partial bodies have recesses which are mounted symmetrically to their contact surface.
Der Vorteil der Verbindung der Siliziumverformungsteilkörper nach der Bearbeitung besteht darin, dass mehrere Siliziumverformungsteilkörper in einem Bearbeitungsgang hergestellt werden können, was eine effektive und kostengünstige Fertigung erlaubt. Weitere entscheidende Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ergeben sich aus dem großen K-Faktor der piezoresistiven Widerstände (K 85) und der somit hohen Messempfindlichkeit gemessen in mV/V. Somit sind sehr genaue Messergebnisse erzielbar.The advantage of joining the silicon deformation partial bodies after machining is that a plurality of silicon deformation partial bodies can be produced in one machining operation, which permits effective and cost-effective production. Further decisive advantages of the devices according to the invention result from the large K-factor of the piezoresistive resistors (K 85) and the thus high measuring sensitivity measured in mV / V. Thus, very accurate measurement results can be achieved.
Die Siliziummessplatte kann kostengünstig unter Ausnutzung moderner Halbleitertechnologien aus Siliziumwafern hergestellt werden.The silicon measuring plate can be inexpensively manufactured using modern semiconductor technologies of silicon wafers.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Siliziumverformungsteilkörper durch Diffussionsschweißen oder anodisches Bonden verbunden.In an advantageous embodiment, the two silicon partial deformation bodies are connected by diffusion welding or anodic bonding.
Diese herkömmlichen Verbindungstechnologien sind Stand der Technik und prozesssicher mit einer geringen Ausschussquote anwendbar.These conventional connection technologies are state of the art and process reliable with a low reject rate applicable.
Die Siliziummessplatte ist an einem ersten Siliziumverformungsteilkörper angeordnet. The silicon measuring plate is arranged on a first silicon deformation partial body.
Ein zweiter Siliziumverformungsteilkörper, an dem die Siliziummessplatte nicht angeordnet ist, ist an einem Ende fest mit einem Gestell verbunden und am anderen Ende greift an einer Kontaktfläche die zu messende Kraft an.A second silicon deformation partial body, on which the silicon measuring plate is not arranged, is fixedly connected at one end to a frame, and at the other end, the force to be measured acts on a contact surface.
Dadurch werden Kerbspannungen nicht auf die Siliziummessplatte übertragen.As a result, notch stresses are not transferred to the silicon measuring plate.
Da sowohl die Messplatte als auch die Teilverformungskörper aus Silizium bestehen, ergeben sich bei Temperaturänderungen keine mechanischen Störspannungen durch eine unterschiedliche Ausdehnung und die hervorragenden messtechnischen Eigenschaften des Materials Silizium können genutzt werden, was wiederum zu sehr genauen Messergebnissen führt.Since both the measuring plate and the Teilverformungskörper are made of silicon, resulting in temperature changes no mechanical interference due to a different expansion and the excellent metrological properties of the material silicon can be used, which in turn leads to very accurate measurement results.
Besonders vorteilhafterweise sind die piezoresistiven Widerstände über den Aussparungen der Siliziumverformungsteilkörper angeordnet.Particularly advantageously, the piezoresistive resistors are arranged over the recesses of the silicon deformation partial body.
Dadurch, dass die Siliziummessplatte auf beliebig gestaltete Siliziumverformungskörper aufgebracht werden kann, können die Kraftmessbereiche in weiten Grenzen verändert werden, wodurch beispielsweise Kraftmessbereiche von wenigen Gramm bis zu einigen hundert Kilogramm ermöglicht sind.The fact that the silicon measuring plate can be applied to any desired shaped silicon deformation body, the force measuring ranges can be varied within wide limits, which, for example, force ranges from a few grams to several hundred kilograms are possible.
Eine hohe Messempfindlichkeit und die weitere Eliminierung von Fehlereinflüssen gelingen dadurch, dass in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die piezoresistiven Widerstände zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind.A high measuring sensitivity and the further elimination of error influences succeed in that, in a particularly advantageous embodiment, the piezoresistive resistors are connected to form a Wheatstone measuring bridge.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Darin zeigen:Show:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In der
Eine Siliziummessplatte
Die Siliziumverformungsteilkörper
In den
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- SiliziumverformungskörperSilicon deformation body
- 2.12.1
- erster Siliziumverformungsteilkörperfirst silicon deformation partial body
- 2.22.2
- zweiter Siliziumverformungsteilkörpersecond silicon deformation partial body
- 33
- Gestellframe
- 44
- SiliziummessplatteSilicon measuring plate
- 4.1 ... 4.44.1 ... 4.4
- piezoresistive Widerständepiezoresistive resistors
- 55
- Aussparungrecess
- 5.15.1
- Endbereich der AussparungEnd portion of the recess
- 5.25.2
- Zwischenbereich der AussparungIntermediate area of the recess
- 66
- Kontaktflächecontact area
- FF
- Kraftforce
- hH
- Höheheight
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