DE19936856C1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, insbesondere Foliendehnungsmeßstreifenelements, sowie Foliendehnungsmeßstreifenelement - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines flexiblen Dehnungsmeßstreifenelements (10), das eine Trägerfolie (2) und wenigstens eine auf diese aufgebrachte Metallschicht enthält, die die elektrischen Anschlüsse (14, 16) und eine die Anschlüsse verbindende Leiterbahn (12, 20) bildet, wird die Metallschicht auf die Trägerfolie aufgesputtert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, insbesondere Foliendehnungsmeßstreifenelements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Foliendehnungsmeßstrei­ fenelement.

Ein derartiges Verfahren sowie Foliendehnungsmeß­ streifenelement ist beispielsweise aus DE 40 28 376 C2 bekannt.

Dehnungsmeßstreifenelemente finden in der Meßtechnik breite Anwendung.

Bisher werden Dehnungsmeßstreifen bzw. Dehnungsmeßstreifene­ lemente entweder in Dünnfilmtechnik hergestellt, wobei das Dehnungsmeßstreifenelement auf einen Meß- bzw. Federkörper unmittelbar aufgedampft wird, oder es wird ein Foliendeh­ nungsmeßstreifenelement hergestellt, das aus einem Laminat einer Trägerfolie und einer dünnen Metallfolie besteht. Das Foliendehnungsmeßstreifenelement wird auf den Meß- oder Fe­ derkörper aufgeklebt. Beide Technologien besitzen Vor- und Nachteile. Das Aufdampfen von Dünnfilmdehnungsmeßstreifenele­ menten ist bei großen Federkörpern oder kleinen Stückzahlen unwirtschaftlich. Außerdem ist ein Aufdampfen vor Ort aus Gründen der Zugänglichkeit häufig nicht möglich. Foliendeh­ nungsmeßstreifenelemente sind Produkte, die in kleinen Nutzen mit einem hohen Maß an Handarbeit produziert werden. Sie sind daher teuer. Auch die Integration von verschiedenen Komponen­ ten, die bis zum Aufbau eines Meßumformers notwendig sind, ist technologiebedingt gering. Zur Temperaturkompensation von auf Dehnungsmessung basierenden Meßaufnehmern werden neben der oder den Leiterbahnen, die zur Dehnungsmessung dienen, weitere Leiterbahnen angebracht, die temperaturempfindliche Widerstände darstellen. Das zur Dehnungsmessung dienende Ma­ terial besteht meist aus einem Werkstoff, dessen Temperatur­ koeffizient des elektrischen Widerstandes dem des Meßkörpers angepaßt ist. Die zur Berücksichtigung der Temperatur dienen­ de weitere Leiterbahn wird zur Temperaturkompensation entwe­ der direkt mit der der Dehnungsmessung dienenden Leiterbahn verschaltet, um der Temperaturdrift von Offset und Empfind­ lichkeit entgegenzuwirken, oder der Widerstand wird zur ana­ logen oder digitalen Korrektur der Dehnungsmeßwerte verwen­ det. Dehnungsmeßstreifenelemente, die beide Funktionen auf einem Träger vereinen, sind bisher nicht bekannt. Zum Schutz vor Feuchtigkeit werden Dehnungsmeßstreifenelemente nach der Anbringung häufig mit dampfundurchlässigen Materialien ver­ siegelt.

Aus der DE 40 28 376 C2, von der in den Oberbegriffen der beigefügten Ansprüche ausgegangen wird, ist ein Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Dehnmeßstreifenanordnungen be­ kannt, bei dem auf ein dünnes, biegbares Glassubstrat zu­ nächst eine metallische Widerstandsschicht ganzflächig abge­ schieden wird und anschließend ebenfalls ganzflächig eine Kontaktschicht bzw. ein Schichtsystem abgeschieden wird. In einem ersten Ätzschritt wird dann eine Gesamtstruktur von Wi­ derstands- und Leiterbahnbereichen erzeugt. Anschließend wird in einem zweiten Ätzschritt das Kontaktschichtmaterial selek­ tiv von den Widerstandsbereichen abgeätzt. In einem letzten Schritt werden die Dehnungsmeßstreifenanordnungen durch Zerteilen des Glassubstrats vereinzelt. Das Abscheiden der metallischen Schichten erfolgt in einem Vakuum- Dünnschichtprozeß. In der genannten Druckschrift ist ein wei­ teres Verfahren angesprochen, bei dem eine Metallschicht durch Aufdampfen oder Sputtern ganzflächig auf eine dünne or­ ganische Folie aufgebracht wird, auf die weitere Metall­ schichten ganzflächig aufgesputtert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, insbesondere eines Foliendehnungsmeßstreifenelements anzugeben, das kostengünstig durchführbar ist und die Integration ver­ schiedener Leiterbahnen zu einem Meßumformer ermöglicht.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein kosten­ günstig herstellbares Foliendehnungsmeßstreifenelement an­ zugeben, das zu einem Meßumformer integrierbare Leiterbahnen enthält.

Eine Lösung des das Verfahren betreffenden Teils der Erfin­ dungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erzielt.

Erfindungsgemäß werden unmittelbar auf die Trägerfolie we­ nigstens zwei Metallschichten aus unterschiedlichen Materia­ lien aufgebracht. Dies kann in einem Arbeitsdurchgang oder in aufeinander folgenden Arbeitsdurchgängen ablaufen, so daß auf einer Trägerfolie Widerstände mit unterschiedlichen tempera­ turabhängigen Eigenschaften hergestellt werden können. Dies bedeutet im Vergleich zur bisherigen Praxis der getrennten Aufbringung eines Foliendehnmeßstreifenelements und von tem­ peraturempfindlichen Widerständen eine erhebliche Vereinfa­ chung und Kostensenkung. Durch die Integration der Tempera­ turerfassung auf eine einzige Trägerfolie können nicht nur die temperaturempfindlichen Widerstände näher an die eine Dehnung erfassenden Leiterbahnen angeordnet werden. Auch die Genauigkeit der Temperaturkompensation ist verbessert. Die gemeinsame Anordnung von Leiterbahnen für unterschiedliche Zwecke auf einer Trägerfolie führt zu einer verbesserten, ins­ besondere thermischen Kopplung der unterschiedlichen Leiter­ bahnen und führt damit zu einer verbesserten Korrelation von deren Verhalten. Das Aufbringen der Meßleiterbahn und der temperaturempfindlichen Leiterbahn auf eine gemeinsame Trä­ gerfolie wirkt sich vorteilhaft auf die Stabilität der ge­ samten Anordnung aus.

Gemäß dem Anspruch 2 können unterschiedliche Leiterbahnen, beispielsweise Meßleiterbahnen und Temperaturkompensations­ leiterbahnen, bereits bei der Produktion miteinander ver­ schaltet werden. Dies führt zu einer weiteren Verminderung des Arbeitsaufwands und zu einer verbesserten Qualität. Zur Aufbringung unterschiedlicher metallischer Materialien auf die Trägerfolie kann eine beispielsweise aus der Produktion beschichteter Folien für den Bau von Folienkondensatoren be­ kannte Technologie eingesetzt werden. Diese Technologie er­ möglicht, die Trägerfolie nur streifenförmig zu beschichten und die dazwischenliegenden Bereiche unbeschichtet zu lassen. Die Streifen entstehen durch das Abdecken der nicht beschich­ teten Bereiche während des Sputtervorgangs. Durch mehrfache Wiederholung des Sputterverfahrens mit unterschiedlichen Tar­ gets, von denen das aufgesputterte Material stammt, können durch das Abdecken jeweils anderer Bereiche getrennte oder auch überlappende Streifenstrukturen hergestellt werden.

Die Metallschichten werden auf die Trägerfolie vorteilhafter­ weise in einem Verfahren aufgebracht, bei dem einzelne Atome, Ionen oder auch Cluster bzw. Partikel des jeweiligen Metalls auf die Folie aufgebracht werden und sich dort zu der Metall­ schicht aggregieren bzw. verbinden. Auch eine elektrochemi­ sche Aufbringung bzw. Abscheidung ist möglich, wobei die aus Kunststoff bestehende Trägerfolie zunächst eine geeignete Vorbehandlung erfahren muß. Die Metallbeschichtung der Trä­ gerfolie kann erfindungsgemäß kontinuierlich und endlos er­ folgen. Die Trägerfolie kann unter Abwicklung von einer Rolle beschichtet und weiterverarbeitet werden. Die nachfolgenden Arbeitsschritte, beispielsweise Photolithographie, können ra­ tionalisiert ablaufen. Der Ätzvorgang, in dem die vorbestimm­ ten Leiterbahnmuster ausgebildet werden, kann ähnlich wie bei der Fertigung flexibler Leiterplatten kontinuierlich ablau­ fen. Die Ätzergebnisse sind gut reproduzierbar, so daß hoch­ genaue Widerstände erreicht werden.

Das Aufbringen geschieht bevorzugt durch Sputtern, da damit eine gute Haftung der Metallschicht auf dem Träger erreicht wird. Bei Verwendung entsprechender Targets können auch Le­ gierungen definierter Zusammensetzungen aufgesputtert werden.

Da es inbesondere beim Aufsputtern möglich ist, die unter­ schiedlichen metallischen Schichten dauerhaft elektrisch mit­ einander zu verbinden, erfolgt insbesondere das Aufbringen der weiteren Metallschicht gemäß dem Anspruch 3 durch Auf­ sputtern.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 4 kann eine Vielzahl von Fo­ liendehnungsmeßstreifenelementen in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß die einzelnen Foliendehnungsmeßstrei­ fenelemente zunächst als Nutzen auf einem durchgehenden Trä­ gerfolienstreifen ausgebildet werden und der Trägerfolien­ streifen dann entsprechend den Nutzen in einzelne Foliendeh­ nungsmeßstreifenelemente unterteilt wird.

Für den Fall, daß das Folienmeßstreifenelement vor Feuchtig­ keit oder sonstigen äußeren Einflüssen geschützt werden soll, kann aufgrund der kontinuierlichen Produktion der Foliendeh­ nungsmeßstreifenelemente gemäß dem Anspruch 5 eine Schutz­ schicht, beispielsweise eine dünne Metallschicht, wie Alumi­ niumschicht, effizient aufgesputtert werden. Die Rückseite der Foliendehnungsmeßstreifenelemente kann direkt mit der Me­ tallschicht versehen werden. Auf der mit den Leiterbahnen ausgebildeten Seite muß vor dem Aufsputtern einer Metall­ schicht eine Isolationsschicht aufgebracht werden. Dies kann beispielsweise in einem CVD-Prozess oder durch flüssige Be­ schichtung erfolgen. Es versteht sich, daß die Anschlüsse der Leiterbahnen dabei abgedeckt werden oder mittels Photolitho­ graphie freigeätzt werden.

Das Leiterbahnmuster kann unmittelbar beim Aufsputtern durch entsprechende Abdeckung der Trägerfolie ausgebildet werden o­ der aus dem Metallstreifen durch Entfernen nicht benötigter Bereiche hergestellt werden, indem diese Bereiche beispiels­ weise abgeätzt werden.

Der Anspruch 6 kennzeichnet einen vorteilhaften Aufbau eines Foliendehnungsmeßstreifenelements zur Lösung des entsprechen­ den Teils der Erfindungsaufgabe.

Der Anspruch 7 ist auf eine vorteilhafte Weiterbildung des Foliendehnungsmeßstreifenelements gerichtet.

Insgesamt wird mit der Erfindung eine kostengünstige Möglich­ keit geschaffen, flexible Bauelemente, insbesondere Folien­ dehnungsmeßstreifenelemente, zu schaffen, die in einem brei­ ten Anwendungsgebiet einsetzbar sind. Andere Bauelemente, die erfindungsgemäß hergestellt werden können, sind beispielswei­ se Temperatursensoren, Folienheizungen, Kombinationen aus beiden usw.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeich­ nungen mit weiteren Einzelheiten erläu­ tert.

Es stellen dar:

Fig. 1 bis 3 eine Aufsicht auf einen Ausschnitt einer Trä­ gerfolie in den verschiedenen Herstellstufen,

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein Foliendehnungsmeßstreifenelement und

Fig. 5 eine Brückenschaltung mit zusätzlichen Abgleichwider­ ständen.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Trägerfolie 2 aus flexi­ blem Kunststoffmaterial, auf die durch ein Sputterverfahren Metallstreifen 4, die beispielsweise aus Konstantan bestehen, aufgesputtert sind. Im dargestellten Beispiel sind vier Me­ tallstreifen in gegenseitigem Abstand aufgesputtert. In den nicht mit Konstantan bedeckten Bereichen liegt die Trägerfo­ lie 2 weiterhin frei.

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Fig. 1 nach einem weiteren Verfahrensschritt, in dem Metallstreifen 6 aus Nickel auf die Anordnung gemäß Fig. 1 aufgesputtert sind. Für das Aufsput­ tern der Metallstreifen 6 wird die Anordnung gemäß Fig. 4 derart abgedeckt, daß die Metallstreifen 6 die Metallstreifen 4 jeweils in den Randbereichen leicht überlappen. Insgesamt sind drei breitere Metallstreifen 6 gebildet, die die zwi­ schen den Metallstreifen 4 freiliegende Trägerfolie 2 über­ decken, und zwei schmälere seitliche Metallstreifen 6.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Fig. 2 in vergrößertem Maßstab und nach Abätzen derjenigen Bereiche der Metallstreifen 4 und 6, die nicht als Leiterbahnen verwendet werden. Die dunkel erscheinenden Bereiche sind Bereiche, in denen mäanderförmige Leiterbahnen ausgebildet sind. Ersichtlich ist eine Vielzahl von Nutzen 8 entstanden, die nach entsprechender Durchtren­ nung der Trägerfolie 2 als einzelne Foliendehnungsmeßstrei­ fenelemente zur Verfügung stehen. Ein solches Foliendehnungs­ meßstreifenelement ist in Fig. 4 in vergrößertem Maßstab dar­ gestellt.

Ersichtlich ist im Inneren des Foliendehnungsmeßstreifenele­ ments 8 auf der Trägerfolie 2 eine Brückenschaltung mit vier Widerständen 10 gebildet, die jeweils aus Konstantan bestehen und im Bereich der Metallstreifen 4 liegen (Fig. 1). Die Wi­ derstände 12 sind über Leiterbahnen unter sich und mit An­ schlüssen 14 verbunden, so daß die Brückenschaltung gebildet ist.

Ebenfalls im Bereich des Metallstreifens 4 aus Konstantan sind weitere Anschlüsse 16 angeordnet, die über einen Über­ gangsbereich 18, in den in der Anordnung der Fig. 2 ein Me­ tallstreifen 6 aus Nickel jeweils einen Metallstreifen 4 aus Konstantan überlappt, mit zwei seitlichen, mäanderförmigen Leiterbahnen aus Nickel verbunden, die Widerstände 20 zur Temperaturmessung bilden. Wie ersichtlich, sind die Wider­ stände 20 in Reihe geschaltet und über eine aus Konstantan bestehende Leiterbahn 22 verbunden. Insgesamt ist ein kompak­ tes Foliendehnungsmeßstreifenelement geschaffen, das die ge­ samte Brückenschaltung zur Dehnungsmessung sowie die Wider­ stände zur Berücksichtigung der Temperatur enthält.

Die einzelnen Schichten 4 und 6 (Fig. 1 und 2) können unter­ schiedlich dick sein und durch entsprechende Sputtertechnik und Abdeckungen auch in ihren Längsrichtungen unterschiedlich dick ausgebildet sein. Die Schichten können beispielsweise in Bereichen, in denen sie durch Löten kontaktiert werden sol­ len, so dick ausgebildet werden, daß ein Löten unproblema­ tisch möglich ist. In Bereichen dagegen, in denen die Schich­ ten einen elektrischen Widerstand bilden, können sie derart dünn ausgebildet werden, daß die mäanderförmige Ausbildung nicht erforderlich ist, da die dünne Schichtdicke zu einem genügend hohen Widerstandswert führt.

Nicht dargestellt sind Schichten, die die Leiterbahnen bzw. das gesamte Foliendehnungsmeßstreifenelement gegen äußere Einflüsse schützen. Auf die nicht mit Leiterbahnen versehene Rückseite der Trägerfolie 2 kann eine beispielsweise aus Alu­ minium bestehende, als Feuchtigkeitssperre wirkende Schutz­ schicht aufgebracht werden, wobei das Aufbringen ebenfalls durch Sputtern geschehen kann. Die Vorderseite kann mit einer Isolierschicht, beispielsweise einem Kunststofflack, versehen werden und dann ebenfalls durch Sputtern mit einer Aluminium­ schicht überzogen werden.

Das fertige Foliendehnungsmeßstreifenelement kann beispielsweise auf die Oberfläche eines zu messenden Körpers aufgeklebt wer­ den, sodaß eine Dehnung des Meßkörpers sicher auf die Metall­ schichten bzw. Meßwiderstände übertragen wird.

Es versteht sich, daß unterschiedlichste Schaltungen ausge­ bildet und mehr als zwei verschiedene Materialien verwendet werden können. Ein Beispiel einer solchen an sich bekannten Brückenschaltung ist in Fig. 5 dargestellt:

An den Eingängen der Schaltung liegt die Speisespannung U_S. An den Ausgängen der Schaltung ist der Meßwert MW abgreifbar. Die Brücke mit den Meßwiderständen 30 ist über Nickelwider­ stände 32 und dazu parallele weitere Widerstände (die nicht zwingend sind) mit den Eingängen verbunden. An den mit den Ausgängen verbundenen Verbindungsstellen der Brücke ist ein Konstantanwiderstand 34 und ein Balcowiderstand 36 angeord­ net.

Die beiden Nickelwiderstände 32 mit den optionalen, dazu pa­ rallelen Widerständen dienen zum Abgleich der Empfindlich­ keitsdrift der Meßschaltung. Mit steigender Temperatur nimmt der E-Modul des zu messenden Federkörpers im allgemeinen ab und damit die Empfindlichkeit zu. Die Nickelwiderstände 32 kompensieren diesen Effekt dadurch, daß sie den durch die Brücke fließenden Strom vermindern.

Der Konstantanwiderstand 34 dient zum Abgleich des Nullpunk­ tes der unbelasteten Meßschaltung. Der Balcowiderstand dient zur Kompensation der temperaturbedingten Offsetdrift der Meßschaltung. Die Balcolegierung könnte durch Nickel ersetzt sein.

Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands der Meßwiderstände 30 ist im allgemeinen so eingestellt, daß die Wärmedehnung des Materials, auf den die Meßschaltung bzw. der Foliendehnungsmeßstreifen appliziert wird, nicht zu einer Wi­ derstandsänderung führt. Die Wärmedehnung des Probenkörpers sagt naturgemäß nichts über die in diesem wirksame Dehnung aus. Das Material des Meßwiderstandes ist daher so gewählt, daß die dehnungsbedingte Widerstandszunahme durch die tempe­ raturbedingte Widerstandszunahme kompensiert wird.

Die dargestellte Schaltung kann durch die Herstellung ent­ sprechender Metallstreifen, deren Verbindung und Abätzung, wie anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben, als auf eine Träger­ folie integrierte Schaltung kostengünstig hergestellt werden. Es versteht sich, daß insbesondere bei digitaler Signalaus­ wertung auch eine Schaltung gem. Fig. 4 ausreicht, da Mate­ rialeigenschaften, Drifts u. ä. durch geeignete Auswertungsal­ gorithmen berücksichtigt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, insbesondere Foliendehnungsmeßstreifenelements (10) mit einer Trägerfolie (2) und wenigstens einer auf diese aufgebrachten Metallschicht (4, 6), die elektrische Anschlüsse (14, 16) und eine die An­ schlüsse verbindende Leiterbahn (12, 20) bildet, enthaltend folgende Arbeitsschritte:
Herstellen eines Trägerfolienstreifens (2),
Aufbringen wenigstens eines Metallstreifens (4, 6) auf den Trägerfolienstreifen und
Herstellen der Leiterbahnen (12, 20) und elektrischen Anschlüsse (14, 16)durch Abtragen von Teilbereichen des auf­ gebrachten Metallstreifens,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zu dem wenigstens einen Metallstreifen (4) wenigstens ein weiterer Metallstreifen (6) aus anderem Material unmittelbar auf die Trägerfolie (2) aufgebracht wird und
daß die Leiterbahnen (12, 20) und elektrischen Anschlüs­ se (14, 16) durch Abtragen von Bereichen beider Leiterbahnen gebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der weitere Metallstreifen (6) in einem Überlappungsbereich auf den bereits aufgebrachten Metallstreifen (4) aufgebracht wird, und daß Teilbereiche der aufgebrachten Metallstreifen (4, 6) der­ art abgetragen werden, daß die Leiterbahnen (12, 20) und elektrischen Anschlüsse (14, 16) wenigstens einen Teil des Überlappungsbereiches enthalten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens die weitere Metall­ schicht (6) durch Aufsputtern aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Leiterbahnen (12, 29) und Anschlüssen (14, 16) ausgebildete Trägerfolie (2) in einzelne, jeweils ein Foliendehnungs­ meßstreifenelement(10) bildende Elemente (8) unterteilt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit Metallstreifen (4, 2) versehene Trägerfolie (2) eine Schutzschicht aufgebracht wird.

6. Foliendehnungsmeßstreifenelement, enthaltend eine Trä­ gerfolie (2), auf der in einem vorbestimmten geometrischen Muster wenigstens eine, aus einer Metallschicht (4) gebildete Leiterbahn (12) angeordnet ist, die in einem inneren Bereich der Trägerfolie (2) durch Leiterbahnen (12) aus einem ersten Metall eine dehnungsempfindliche Brückenschaltung bildet, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Brückschaltung durch Leiterbahnen aus einem anderen Me­ tall ein temperaturempfindlicher Widerstand (20) gebildet ist.

7. Foliendehnungsmeßstreifenelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der tempera­ turabhängige Widerstand aus zwei, beidseitig der Brücken­ schaltung angeordneten Widerständen zusammengesetzt ist, die über eine durch den inneren Bereich der Trägerfolie (2) hin­ durchführende Leiterbahn aus dem ersten Metall verbunden sind, und daß Anschlüsse (14, 16) sowohl der Brückenschaltung als auch des temperaturempfindlichen Widerstandes im inneren Bereich der Trägerfolie angeordnet sind und aus dem ersten Metall bestehen.