DE102012219203B3 - Device for force- or displacement measurement, has two meander arrangements connected to each other by coupling piece to form parallel spring arrangement, where each meander arrangement has neutral silicon springs and active silicon springs - Google Patents

Device for force- or displacement measurement, has two meander arrangements connected to each other by coupling piece to form parallel spring arrangement, where each meander arrangement has neutral silicon springs and active silicon springs Download PDF

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Abstract

The device has two meander arrangements (4,5) connected to each other through a coupling piece (8) to form a parallel spring arrangement. Each meander arrangement has two neutral silicon springs (1,1.1,1.2) and the active silicon springs (2), where four piezo-resistive resistors are provided in each active silicon spring. An end of the active silicon spring is fixed on a frame (7). Another end of the active silicon spring is connected to one end of the former neutral silicon spring by a spacer (6). A point of attack for the to-be determined measuring force is on the coupling piece.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraft- und/oder Wegmessung mit neutralen Siliziumfedern und aktiven Siliziumfedern, die durch Abstandsstücke verbunden sind, wobei die aktiven Siliziumfedern piezoresistive Widerstände enthalten, die in einer Wheatstoneschen Vollbrücke verschaltetet sind.The invention relates to a device for force and / or distance measurement with neutral silicon springs and active silicon springs, which are connected by spacers, wherein the active silicon springs piezoresistive resistors, which are connected in a Wheatstone full bridge.

Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Kraft- und Wegmessung bekannt.Various devices for force and displacement measurement are known in the prior art.

Ein Mikrotaster zur Messung von Kräften und Wegen ist aus der Druckschrift „G. N. Peggs, A. J. Lewis, S. Oldfield: Design for a compact high-accuraccy CMM. In. Annals of the CIRP, Vol. 48/1/1999, Seite 417–420” bekannt. Bei diesen Sensoren werden mittels eines Tastelements und eines Taststifts Kräfte auf flexible metallische Federelemente übertragen. Die Auslenkungen, also die Wege der Federelemente, werden mit kapazitiven Sensoren gemessen. Die Auslenkungen betragen nur wenige Mikrometer, was beim Einbau des Mikrotasters in Koordinatenmessgeräten nachteilig ist. Damit verbunden sind erhöhte Gefahren der Beschädigung des Taststiftes.A microprobe for measuring forces and paths is known from the document "G. N. Peggs, A.J. Lewis, S. Oldfield: Design for a compact high-accuracy CMM. In. Annals of the CIRP, Vol. 48/1/1999, page 417-420 ". In these sensors, forces are transmitted to flexible metallic spring elements by means of a probe element and a stylus. The deflections, ie the paths of the spring elements, are measured with capacitive sensors. The deflections amount to only a few micrometers, which is disadvantageous when installing the micro-probe in coordinate measuring machines. This is associated with increased risks of damage to the stylus.

Ein Dreiachsen-Kraftsensor wird in „mst/news Nr. 1/09, February 2009, S. 16–17: Multidimensional Force and Displacement Sensor for Micro Metrology.: A. Tribrewala, A. Phataralaoha und St. Büttgenbach” beschrieben. Hierbei sind in einer Siliziummembran piezoresistive Widerstände zu Brücken zusammengeschaltet. Die Membran ist mit einem Taststift mit Antastkugel verbunden. Auch bei dieser Anordnung sind die Messwege sehr klein und betragen nur ca. 10 Mikrometer.A three-axis force sensor is described in "mst / news No. 1/09, February 2009, pp. 16-17: Multidimensional Force and Displacement Sensor for Micro Metrology .: A. Tribrewala, A. Phataralaoha and St. Büttgenbach". Here piezoresistive resistors are connected together in bridges in a silicon membrane. The membrane is connected to a stylus with probing ball. Even with this arrangement, the measurement paths are very small and only about 10 microns.

In DE 10 2009 020 533 B3 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der z. B. Siliziumfederelemente durch Siliziumabstandsstücke zu Parallelanordnungen vereint werden. Mindestens ein Siliziumfederelement enthält vier piezoresistive Widerstände, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Drei solcher Parallelanordnungen werden so ineinander geschachtelt, dass ein dreidimensionaler Taster entsteht. Am Ende der dritten Parallelanordnung ist der Taststift mit einem Tastelement befestigt. Bei dieser Vorrichtung mit Siliziumparallelanordnungen treten im Vergleich zu den vorher beschriebenen Anordnungen Messwege von 100–150 μm auf. Für bestimmte Anwendungen in Koordinatenmessmaschinen sind auch diese Wege zu klein.In DE 10 2009 020 533 B3 a device is described in which z. B. silicon spring elements are united by silicon spacers to parallel arrangements. At least one silicon spring element contains four piezoresistive resistors, which are connected in a full bridge. Three such parallel arrangements are nested in each other so that a three-dimensional button is created. At the end of the third parallel arrangement of the stylus is attached to a probe element. In this device with silicon parallel arrangements occur in comparison to the previously described arrangements measuring paths of 100-150 microns. For certain applications in coordinate measuring machines, these paths are too small.

Ferner ist aus DE 10 2010 012 701 A1 ein Mikrokraftsensor zur Messung von Kräften im Nano- und Millinewton-Bereich bekannt. Der Sensor weist ein längliches Sensorelement auf, das einen ersten Auflagerbereich an einem ersten Ende, einen zweiten Auflagerbereich an einem dem ersten Ende gegenüber liegenden zweiten Ende eine Versteifungsmarkierung zwischen dem ersten Auflagerbereich und dem zweiten Auflagerbereich aufweist und bei dem zumindest ein Federbereich angeordnet ist, der zumindest zweiflüglig mäanderförmig ausgebildet ist.Furthermore, it is off DE 10 2010 012 701 A1 a micro force sensor for measuring forces in the nano and millinewton range known. The sensor has an elongated sensor element, which has a first bearing area at a first end, a second bearing area at a second end opposite the first end, a stiffening mark between the first bearing area and the second bearing area and in which at least one spring area is arranged at least two lobes meander-shaped.

Zusammengefasst bestehen die wesentlichsten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten 3D-Taster mit Siliziumverformungskörpern mit integrierten piezoresistiven Widerstanden darin, dass die auftretenden Messwege für bestimmte Aufgaben in der Koordinatenmesstechnik zu klein sind.In summary, the main disadvantages of the known from the prior art 3D probe with silicon deformation bodies with integrated piezoresistive resistors is that the measurement paths occurring for certain tasks in the coordinate metrology are too small.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die zur Messung von drei orthogonalen Kräften geeignet ist und bei der größere Messwege auftreten.The invention is therefore an object of the invention to provide a device of the type mentioned, which is suitable for the measurement of three orthogonal forces and occur in the larger measuring paths.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.According to the invention the object is achieved with an arrangement having the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von dreidimensionalen Kräften mit großen Messwegen besteht darin, dass mehrere neutrale Siliziumrechteckfedern und aktive Siliziumrechteckfedern mäanderförmig angeordnet sind und durch Siliziumabstandsstücke verbunden sind. Aktive Siliziumrechteckfedern enthalten vier piezoresistive Widerstände, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Zwei solcher mäanderfömigen Anordnungen sind symmetrisch positioniert. Zwei Enden der beiden mäanderförmigen Anordnungen sind an einem Gestell befestigt. Die beiden anderen Enden sind über ein erstes Siliziumkoppelstück fest miteinander verbunden. Zur Stabilisierung der beiden mäanderförmigen Anordnungen können die Enden der Siliziumrechteckfedern, die dem ersten Siliziumkoppelstück gegenüberliegen, durch ein Siliziumjoch verbunden werden. Infolge der mäanderförmigen Anordnungen werden die Wege, um die das erste Siliziumkoppelstück verschoben werden kann, stark vergrößert.The device according to the invention for measuring three-dimensional forces with large measurement paths consists in that a plurality of neutral silicon rectangular springs and active silicon rectangular springs are arranged meander-shaped and are connected by silicon spacers. Active silicon rectangular springs contain four piezoresistive resistors, which are connected in a full bridge. Two such meandering arrangements are symmetrically positioned. Two ends of the two meander-shaped arrangements are attached to a frame. The other two ends are firmly connected to each other via a first silicon coupling piece. To stabilize the two meander-shaped arrangements, the ends of the silicon rectangular springs, which are opposite to the first silicon coupling piece, can be connected by a silicon yoke. Due to the meandering arrangements, the paths by which the first silicon coupling piece can be displaced are greatly increased.

Um eine zweite Kraftkomponente senkrecht zur ersten Kraft auch mit vergrößerten Wegen zu erfassen, müssen zwei vorher beschriebene mäanderförmige Anordnungen zusätzlich rechtwinklig zu der ersteren angebracht werden. Dazu wird am ersten Siliziumkoppelelement ein zweites Siliziumkoppelelement so angeordnet, dass die zwei freien Enden einer dritten und vierten mäanderförmigen Anordnung daran befestigt werden können. Die beiden anderen freien Enden sind an einem dritten Siliziumkoppelstück fest angebracht.In order to detect a second force component perpendicular to the first force, even with enlarged paths, two previously described meander-shaped arrangements must additionally be installed at right angles to the former. For this purpose, a second silicon coupling element is arranged on the first silicon coupling element so that the two free ends of a third and fourth meander-shaped arrangement can be attached thereto. The two other free ends are firmly attached to a third silicon coupling piece.

Um auch die dritte Kraftkomponente mit vergrößerten Messwegen erfassen zu können, werden zwei weitere mäanderförmige Anordnungen rechtwinklig zu den vorherigen mäanderförmigen Anordnungen symmetrisch angeordnet. Die zwei freien Enden der weiteren symmetrischen Anordnung sind durch ein viertes Siliziumkoppelelement fest verbunden. An dem vierten Siliziumkoppelelement greifen die Messgrößen, also die Kräfte, in drei senkrechten Richtungen an. In diesen drei Richtungen treten stark vergrößerte Wege auf. Mit Längen der neutralen und der aktiven Siliziumrechteckfedern von ca. 32 mm und mit einer Waferdicke von ca. 0,4 mm lassen sich mit jeweils nur drei mäanderförmig angeordneten Siliziumrechteckfedern Messwege von ca. ±0,5 mm erreichen. In order to be able to detect the third force component with enlarged measuring paths, two further meander-shaped arrangements are arranged symmetrically at right angles to the previous meander-shaped arrangements. The two free ends of the further symmetrical arrangement are firmly connected by a fourth silicon coupling element. At the fourth silicon coupling element, the measured variables, ie the forces, act in three perpendicular directions. In these three directions occur greatly enlarged ways. With lengths of the neutral and active silicon rectangular springs of approx. 32 mm and a wafer thickness of approx. 0.4 mm, measuring paths of approx. ± 0.5 mm can be achieved with only three silicon-squared feathers arranged in a meandering pattern.

Vorteilhafte Ausführungen sehen vor, dass die Abstandsstücke und die Koppelstücke wahlweise aus Silizium, Invar oder Glas hergestellt werden.Advantageous embodiments provide that the spacers and the coupling pieces are optionally made of silicon, Invar or glass.

Da die aktiven Siliziumrechteckfedern mit vier in einer Vollbrücke verschalteten piezoresistiven Widerständen in der Regel eine Offset-Brückenausgangsspannung sowie einen Temperaturkoeffizienten aufweisen, kann zur Kompensation von Offset und TK eine Referenz-Siliziumrechteckfeder benutzt werden. Die Referenz-Siliziumrechteckfeder besitzt auch vier in einer Vollbrücke verschaltete piezoresistive Widerstände sowie den gleichen Offset und TK wie die aktive Siliziumrechteckfeder. Die Referenz-Siliziumrechteckfeder wird keiner mechanischen Belastung ausgesetzt, sie dient also nur der Kompensation. Dazu wird die Differenz zwischen den Brückenausgangsspannungen von der Referenz-Siliziumrechteckfeder und von der aktiven Siliziumrechteckfeder gebildet.Since the active silicon rectangular springs with four piezoresistive resistors connected in a full bridge usually have an offset bridge output voltage and a temperature coefficient, a reference silicon rectangular spring can be used to compensate for offset and TK. The reference silicon rectangular spring also has four piezoresistive resistors connected in a full bridge as well as the same offset and TK as the active silicon rectangular spring. The reference silicon rectangular spring is not exposed to mechanical stress, so it only serves to compensate. For this purpose, the difference between the bridge output voltages is formed by the reference silicon rectangular spring and by the active silicon rectangular spring.

Es ist auch möglich, dass die Differenzspannungen für mehrere aktive Siliziumrechteckfedern und mehrere Referenz-Siliziumrechteckfedern, welche die gleichen Offsetspannungen und die gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen, gebildet werden.It is also possible for the differential voltages to be formed for a plurality of active silicon rectangular springs and a plurality of reference silicon rectangular springs having the same offset voltages and the same temperature coefficients.

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:

1 eine Anordnung zur Messung einer Kraft, 1 an arrangement for measuring a force,

2 eine Anordnung zur Messung von drei rechtwinkligen Kräften, 2 an arrangement for measuring three right-angled forces,

3 einen Schnitt durch die in 2 gezeigte Anordnung, 3 a section through the in 2 shown arrangement,

4 die in 1 gezeigte Anordnung im ausgelenkten Zustand, 4 in the 1 shown arrangement in the deflected state,

5 eine Anordnung zur Kompensation von Offset und Temperaturkoeffizienten und 5 an arrangement for the compensation of offset and temperature coefficients and

6 eine aktive Siliziumrechteckfeder und eine Referenz-Siliziumrechteckfeder. 6 an active silicon rectangular spring and a reference silicon rectangular spring.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Messung einer Kraft mit vergrößerten Wegen enthält zwei mäanderförmige Anordnungen 4 und 5, die jeweils aus mehreren neutralen Siliziumrechteckfedern 1 und aktiven Siliziumrechteckfedern 2 bestehen. Die aktiven Siliziumrechteckfedern 2 enthalten vier piezoresistive Widerstände 3, welche in einer Wheatstoneschen Vollbrücke verschaltet sind. Jeweils zwei Enden der mäanderförmigen Anordnungen 4 und 5 sind am Gestell 7 befestigt. Die beiden anderen Enden der Anordnungen 4 und 5 sind an einem Siliziumkoppelstück 8 fest angebracht. Die mäanderförmigen Anordnungen 4 und 5 bestehen jeweils aus einer ersten neutralen Siliziumrechteckfeder 1.1, einer zweiten Siliziumrechteckfeder 1.2 und einer aktiven Siliziumrechteckfeder 2, wobei die aktiven Siliziumrechteckfedern 2 jeweils vier piezoresistive Widerstände 3 enthalten. Die neutralen Siliziumrechteckfedern 1.1 und 1.2 und die aktiven Siliziumrechteckfedern 2 sind untereinander durch Abstandsstücke 6 verbunden. Jeweils ein Ende der ersten mäanderförmigen Anordnung 4 und ein Ende der zweiten mäanderförmigen Anordnung 5 sind am Gestell 7 befestigt. Die anderen beiden freien Enden sind an einem ersten Siliziumkoppelstück 8 befestigt. Dabei sind die beiden mäanderförmigen Anordnungen 4 und 5 symmetrisch am ersten Siliziumkoppelstück 8 positioniert, so dass sie eine Parallelfederanordnung bilden.In the 1 illustrated device for measuring a force with increased paths contains two meander-shaped arrangements 4 and 5 , each made up of several neutral silicon rectangular springs 1 and active silicon rectangular springs 2 consist. The active silicon rectangular springs 2 contain four piezoresistive resistors 3 , which are interconnected in a Wheatstone full bridge. Two ends of the meander-shaped arrangements 4 and 5 are on the rack 7 attached. The other two ends of the arrangements 4 and 5 are on a silicon coupling piece 8th firmly attached. The meandering arrangements 4 and 5 each consist of a first neutral silicon rectangular spring 1.1 , a second silicon rectangular spring 1.2 and an active silicon rectangular spring 2 , wherein the active silicon rectangular springs 2 four piezoresistive resistors each 3 contain. The neutral silicon rectangular springs 1.1 and 1.2 and the active silicon rectangular springs 2 are mutually by spacers 6 connected. In each case one end of the first meander-shaped arrangement 4 and an end of the second meandering arrangement 5 are on the rack 7 attached. The other two free ends are on a first silicon coupling piece 8th attached. Here are the two meander-shaped arrangements 4 and 5 symmetrical on the first silicon coupling piece 8th positioned so that they form a parallel spring arrangement.

Greift am Siliziumkoppelstück 8 eine Kraft in horizontaler Richtung an, werden die mäanderförmigen Anordnungen 4 und 5 ausgelenkt.Attacks on the silicon coupling piece 8th a force in the horizontal direction, become the meandering arrangements 4 and 5 deflected.

Anstelle von Silizium kann auch Invar oder Glas als Material für die Abstandsstücke 6 verwendet werden. Zur Stabilisierung der gesamten Anordnung 4 und 5 kann an den inneren Enden der neutralen Siliziumrechteckfeder 1, also gegenüber dem Siliziumkoppelstück 8, ein Querjoch angebracht werden.Instead of silicon can also Invar or glass as a material for the spacers 6 be used. To stabilize the entire arrangement 4 and 5 can be at the inner ends of the neutral silicon rectangular spring 1 , ie opposite the silicon coupling piece 8th , a cross yoke to be installed.

Es ist auch möglich, dass die aktiven Siliziumrechteckfedern 2 in der mittleren oder der inneren Position einer mäanderförmigen Anordnung 4 oder 5 angeordnet sind, als an der Stelle, an der sich in der dargestellten Ausführung die neutralen Siliziumrechteckfedern 1.1 und 1.2 befinden.It is also possible that the active silicon rectangular springs 2 in the middle or inner position of a meandering arrangement 4 or 5 are arranged, as at the point at which in the illustrated embodiment, the neutral silicon rectangular springs 1.1 and 1.2 are located.

2 zeigt eine Anordnung zur Messung von drei rechtwinklig angreifenden Kräften, wobei in allen drei Richtungen vergrößerte Wege auftreten. Hierzu ist am Siliziumkoppelstück 8 der mäanderförmigen Anordnungen 4 und 5 ein zweites Siliziumkoppelstück 9 fest angebracht. An diesem Siliziumkoppelstück 9 sind jeweils die Enden einer dritten und vierten mäanderförmigen Anordnung 12 und 13 befestigt. Die beiden anderen Enden der mäanderförmigen Anordnungen 12 und 13 sind an einem dritten Siliziumkoppelstück 10 angeordnet. Auch die Siliziumfedern der mäanderförmigen Anordnungen 12 und 13 sind untereinander durch Siliziumabstandsstücke 6 verbunden. Am dritten Siliziumkoppelstück 10 sind die freien Enden einer fünften und sechsten mäanderförmigen Anordnung 14 und 15 angebracht, was aus 3 ersichtlich ist. 2 shows an arrangement for measuring three forces acting at right angles, wherein enlarged paths occur in all three directions. This is on the silicon coupling piece 8th the meandering arrangements 4 and 5 a second silicon coupling piece 9 firmly attached. At this silicon coupling piece 9 are each the ends of a third and fourth meandering arrangement 12 and 13 attached. The other two ends of the meandering arrangements 12 and 13 are on a third silicon coupling piece 10 arranged. Also the silicon springs of the meandering arrangements 12 and 13 are interconnected by silicon spacers 6 connected. At the third silicon coupling piece 10 are the free ends of a fifth and sixth meandering arrangement 14 and 15 attached, what made 3 is apparent.

In 3 ist ein Schnitt A-A durch die in 2 dargestellte Anordnung zu sehen. Die mäanderförmigen Anordnungen 14 und 15 sind rechtwinklig zu den mäanderförmigen Anordnungen 5 und 6 sowie 12 und 13 angeordnet. Zwei freie Enden der mäanderförmigen Anordnungen 14 und 15 sind auch am dritten Siliziumkoppelstück 10 befestigt. Die beiden anderen freien Enden sind an einem vierten Siliziumkoppelstück 11 angeordnet. Am Siliziumkoppelstück 11 greifen die zu ermittelnden Messkräfte 16 an.In 3 is a section AA through the in 2 to see the arrangement shown. The meandering arrangements 14 and 15 are perpendicular to the meandering arrangements 5 and 6 such as 12 and 13 arranged. Two free ends of the meandering arrangements 14 and 15 are also on the third silicon coupling piece 10 attached. The other two free ends are on a fourth silicon coupling piece 11 arranged. At the silicon coupling piece 11 grab the measuring forces to be determined 16 at.

4 zeigt die Vorrichtung aus 1 im belasteten Zustand. Die zu ermittelnde Messkraft 16 greift am Koppelstück 8 in horizontaler Richtung an. Aus der Figur geht hervor, dass dabei stark vergrößerte Wege auftreten. 4 shows the device 1 in the loaded condition. The measuring force to be determined 16 accesses the coupling piece 8th in the horizontal direction. From the figure it appears that while greatly enlarged paths occur.

In 5 ist eine Anordnung dargestellt, mit der eine Kompensation des Offsets und des Temperaturkoeffizienten TK ermöglicht wird. Zu diesem Zweck werden die Differenzen zwischen den Brückenausgangsspannungen UDR der aktiven Siliziumrechteckfeder 2 und einer Referenz-Siliziumrechteckfeder 17 oder 18 gebildet. Diese Kompensation erfolgt nur, falls die Offsetspannungen UOffset und die TK-Werte der aktiven Siliziumrechteckfedern 2 gleich denen der Referenz-Siliziumrechteckfedern 17 bzw. 18 sind. Die Referenz-Siliziumrechteckfedern 17 bzw. 18 werden keinen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt.In 5 an arrangement is shown, with which a compensation of the offset and the temperature coefficient TK is made possible. For this purpose, the differences between the bridge output voltages U DR of the active silicon rectangular spring become 2 and a reference silicon rectangular spring 17 or 18 educated. This compensation takes place only if the offset voltages U offset and the TK values of the active silicon rectangular springs 2 equal to those of the reference silicon rectangular springs 17 respectively. 18 are. The reference silicon rectangular springs 17 respectively. 18 are not exposed to mechanical stress.

In 6 ist eine aktive Siliziumrechteckfeder 2 mit den piezoresistiven Widerständen 3.5, 3.6, 3.7 und 3.8 und der Speisespannung UB sowie der Brückenausgangsspannung UDA dargestellt. Weiterhin ist die Referenz-Siliziumrechteckfeder 18 mit den piezoresistiven Widerständen 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 sowie die Speisespannung UB und die Brückenausgangsspannung UDR abgebildet. Sowohl die piezoresistiven Widerstände 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 als auch die piezoresistiven Widerstände 3.5, 3.6, 3.7, 3.8 sind in Vollbrücken verschaltet. Nur die aktive Siliziumrechteckfeder 2 ist einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Sind Offset und TK der Referenz-Siliziumrechteckfeder 18 und der aktiven Siliziumrechteckfeder 2 gleich, erfolgt eine Kompensation, was die einfachen Gleichungen veranschaulichen. UDM ist die Messspannung, UOffset ist die Offsetspannung, TK ist der Temperaturkoeffizient und ΔT die Temperaturänderung.In 6 is an active silicon rectangular spring 2 with the piezoresistive resistors 3.5 . 3.6 . 3.7 and 3.8 and the supply voltage U B and the bridge output voltage U DA shown. Furthermore, the reference silicon rectangular spring 18 with the piezoresistive resistors 3.1 . 3.2 . 3.3 and 3.4 and the supply voltage U B and the bridge output voltage U DR mapped. Both the piezoresistive resistors 3.1 . 3.2 . 3.3 . 3.4 as well as the piezoresistive resistors 3.5 . 3.6 . 3.7 . 3.8 are interconnected in full bridges. Only the active silicon rectangular spring 2 is exposed to mechanical stress. Are offset and TK of the reference silicon rectangular spring 18 and the active silicon rectangular spring 2 equal, compensation is done, as illustrated by the simple equations. U DM is the measuring voltage, U Offset is the offset voltage, TK is the temperature coefficient and ΔT is the temperature change.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
neutrale Siliziumrechteckfedernneutral silicon rectangular springs
1.11.1
erste neutrale Siliziumrechteckfederfirst neutral silicon rectangular spring
1.21.2
zweite neutrale Siliziumrechteckfedersecond neutral silicon rectangular spring
22
aktive Siliziumrechteckfedernactive silicon rectangular springs
33
piezoresistive Widerständepiezoresistive resistors
3.1, 3.2, 3.3, 3.43.1, 3.2, 3.3, 3.4
piezoresistive Widerstände der Referenz-Siliziumrechteckfederpiezoresistive resistors of the reference silicon rectangular spring
3.5, 3.6, 3.7, 3.83.5, 3.6, 3.7, 3.8
piezoresistive Widerstände der aktiven Siliziumrechteckfederpiezoresistive resistors of the active silicon rectangular spring
44
erste mäanderförmige Anordnungfirst meandering arrangement
55
zweite mäanderförmige Anordnungsecond meandering arrangement
1212
dritte mäanderförmige Anordnungthird meandering arrangement
1313
vierte mäanderförmige Anordnungfourth meandering arrangement
1414
fünfte mäanderförmige Anordnungfifth meander-shaped arrangement
1515
sechste mäanderförmige Anordnungsixth meander-shaped arrangement
66
Abstandsstückespacers
77
Gestellframe
88th
erstes Siliziumkoppelstückfirst silicon coupling piece
99
zweites Siliziumkoppelstücksecond silicon coupling piece
1010
drittes Siliziumkoppelstückthird silicon coupling piece
1111
viertes Siliziumkoppelstückfourth silicon coupling piece
1616
Messkraftmeasuring force
17, 1817, 18
Referenz-SiliziumrechteckfederReference silicon rectangle spring
UB U B
Speisespannungsupply voltage
UDR U DR
BrückenausgangsspannungBridge output voltage
TKTK
Temperaturkoeffizienttemperature coefficient
UDM U DM
Messspannungmeasuring voltage
UOffset U offset
Offsetspannungoffset voltage
ΔT.DELTA.T
Temperaturänderungtemperature change

Claims (8)

Vorrichtung zur Kraft- und/oder Wegmessung mit neutralen Siliziumfedern (1) und aktiven Siliziumfedern (2), die durch Abstandsstücke (6) verbunden sind, wobei die aktiven Siliziumfedern (2) piezoresistive Widerstände (3) enthalten, die in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltetet sind, dadurch gekennzeichnet, dass – eine erste mäanderförmige Anordnung (4) über ein Koppelstück (8) mit einer zweiten mäanderförmige Anordnung (5) verbunden ist, so dass eine Parallelfederanordnung gebildet wird, – die mäanderförmigen Anordnungen (4, 5) jeweils aus einer ersten neutralen Siliziumfeder (1.1), einer zweiten Siliziumfeder (1.2) und einer aktiven Siliziumfeder (2) bestehen, wobei die aktiven Siliziumfedern (2) jeweils vier piezoresistive Widerstände (3) enthalten, – jeweils ein Ende einer aktiven Siliziumfeder (2) an einem Gestell (7) befestigt ist, – die anderen Enden der aktiven Siliziumfeder (2) mit jeweils einem Ende einer ersten neutralen Siliziumfeder (1.1) über je ein Abstandsstück (6) verbunden sind, – die anderen Enden der ersten neutralen Siliziumfeder (1.1) mit einem Ende einer zweiten neutralen Siliziumfeder (1.2) über je ein Abstandsstück (6) verbunden sind und – die anderen Enden der zweiten neutralen Siliziumfedern (1.2) mit einem Koppelstück (8) verbunden sind.Device for measuring force and / or distance with neutral silicon springs ( 1 ) and active silicon springs ( 2 ) separated by spacers ( 6 ), wherein the active silicon springs ( 2 ) piezoresistive resistors ( 3 ), which are interconnected in a Wheatstone full bridge, characterized in that - a first meander-shaped arrangement ( 4 ) via a coupling piece ( 8th ) with a second meandering arrangement ( 5 ), so that a parallel spring arrangement is formed, - the meander-shaped arrangements ( 4 . 5 ) each of a first neutral silicon spring ( 1.1 ), a second silicon spring ( 1.2 ) and an active silicon spring ( 2 ), wherein the active silicon springs ( 2 ) each have four piezoresistive resistors ( 3 ), one end each of an active silicon spring ( 2 ) on a rack ( 7 ), - the other ends of the active silicon spring ( 2 ) each having one end of a first neutral silicon spring ( 1.1 ) via a respective spacer ( 6 ), - the other ends of the first neutral silicon spring ( 1.1 ) with one end of a second neutral silicon spring ( 1.2 ) via a respective spacer ( 6 ) and - the other ends of the second neutral silicon springs ( 1.2 ) with a coupling piece ( 8th ) are connected. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Koppelstück (8) ein Angriffspunkt für die zu ermittelnde Messkraft (16) befindet.Apparatus according to claim 1, characterized in that at the coupling piece ( 8th ) a point of application for the measuring force to be determined ( 16 ) is located. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweites Siliziumkoppelstück (9) am ersten Siliziumkoppelstück (8) befestigt ist, – am zweiten Siliziumkoppelstück (9) rechtwinklig zu den ersten und zweiten mäanderförmigen Anordnungen (4, 5) eine dritte mäanderförmige Anordnung (12) und eine vierte mäanderförmige Anordnung (13) angebracht sind, – zwei Enden der dritten und vierten mäanderförmigen Anordnungen (12, 13) auch am zweiten Siliziumkoppelstück (9) befestigt sind und – die beiden anderen Enden der dritten und vierten mäaderförmigen Anordnungen (12, 13) an einem dritten Siliziumkoppelstück (10) befestigt sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that - a second silicon coupling piece ( 9 ) at the first silicon coupling piece ( 8th ), - on the second silicon coupling piece ( 9 ) at right angles to the first and second meander-shaped arrangements ( 4 . 5 ) a third meandering arrangement ( 12 ) and a fourth meander-shaped arrangement ( 13 ) - two ends of the third and fourth meander-shaped arrangements ( 12 . 13 ) also on the second silicon coupling piece ( 9 ) and - the two other ends of the third and fourth ladder-shaped arrangements ( 12 . 13 ) on a third silicon coupling piece ( 10 ) are attached. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – am dritten Siliziumkoppelstück (10) rechtwinklig zu den dritten und vierten mäanderförmigen Anordnungen (12, 13) und symmetrisch zu den ersten und zweiten mäaderförmigen Anordnungen (4, 5) eine fünfte mäanderförmige Anordnung (14) und eine sechste mäaderförmige Anordnung (15) angeordnet sind, – wobei zwei Enden der fünften und sechsten mäanderförmigen Anordnungen (14, 15) auch mit dem dritten Siliziumkoppelstück (10) verbunden sind, – die beiden anderen Enden der fünften und sechsten mäanderförmigen Anordnungen (14, 15) durch ein viertes Siliziumkoppelstück (11) verbunden sind und – an dem vierten Siliziumkoppelstück (11) die zu ermittelnden Messkräfte (16) angreifen.Apparatus according to claim 3, characterized in that - on the third silicon coupling piece ( 10 ) at right angles to the third and fourth meander-shaped arrangements ( 12 . 13 ) and symmetrical to the first and second ladder-shaped arrangements ( 4 . 5 ) a fifth meander-shaped arrangement ( 14 ) and a sixth mäaderförmige arrangement ( 15 ) are arranged, - wherein two ends of the fifth and sixth meander-shaped arrangements ( 14 . 15 ) also with the third silicon coupling piece ( 10 ), - the two other ends of the fifth and sixth meander-shaped arrangements ( 14 . 15 ) through a fourth silicon coupler ( 11 ) and - at the fourth silicon coupling piece ( 11 ) the measuring forces to be determined ( 16 attack). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstücke (6) und die Koppelstücke (8, 9, 10, 11) aus Silizium bestehen.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spacers ( 6 ) and the coupling pieces ( 8th . 9 . 10 . 11 ) consist of silicon. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstücke (6) und die Koppelstücke (8, 9, 10, 11) aus Invar und/oder Glas bestehen.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the spacers ( 6 ) and the coupling pieces ( 8th . 9 . 10 . 11 ) consist of invar and / or glass. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Gestell (7) eine Referenz-Siliziumrechteckfeder (18) angeordnet ist, welche vier piezoresistive Widerstände (3) enthält und keiner mechanischen Belastung ausgesetzt ist, wobei die vier piezoresistive Widerstände (3) in einer Wheatstonschen Vollbrücke verschaltet sind und die gleiche Offsetspannung (UOffset) sowie den gleichen Temperaturkoeffizienten (TK) wie eine aktive Siliziumfeder (2) aufweisen.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the frame ( 7 ) a reference silicon rectangular spring ( 18 ), which four piezoresistive resistors ( 3 ) and is exposed to no mechanical stress, wherein the four piezoresistive resistors ( 3 ) in a Wheatstone full bridge and the same offset voltage (U offset ) and the same temperature coefficient (TK) as an active silicon spring ( 2 ) exhibit. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Referenz-Siliziumrechteckfedern (17, 18) angeordnet sind, so dass die Differenzspannungen (UDA–UDR) für mehrere aktive Siliziumrechteckfedern (2) und mehrere Referenz-Siliziumrechteckfedern (17 und 18), welche die gleichen Offsetspannungen (UOffset) und die gleichen Temperaturkoeffizienten (TK) aufweisen, gebildet werden.Apparatus according to claim 7, characterized in that a plurality of reference silicon rectangular springs ( 17 . 18 ) are arranged such that the differential voltages (U DA -U DR ) for a plurality of active silicon rectangular springs ( 2 ) and several reference silicon rectangular springs ( 17 and 18 ) having the same offset voltages (U offset ) and the same temperature coefficients (TK) are formed.
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