DE2720410A1 - Dehnungsmesstreifen sowie cermet und verfahren fuer dessen herstellung - Google Patents
Dehnungsmesstreifen sowie cermet und verfahren fuer dessen herstellungInfo
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Description
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Anmelder: Gould Inc.,
540 East 105th Street, Cleveland, Ohio 44108, USA
Titel; "Dehnungsmeßstreifen sowie Cermet
und Verfahren für dessen Herstellung"
709847/0916
IJR. INC F. WITKSTIIOFF
DR. K. ν. FKOII M A NN Uli. IN(J. D. IIKllRF.NS
UIPL. ING. H. GOKTZ
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SOOO MU NCII KN OO
SCM VVKKiKIfSTUASSK Z
T Ki. r: fön <08fl>
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TFl.FOHA MMK:
TFl.FOHA MMK:
1ft-49 429
Dehnungsmeßstreifen sowie Cermet und Verfahren für dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Zementzubereitung für Widerstandsschichten
(Cermet) , einen Dehnurtpmeßstreifen mit einem dünnen
Film aus dem Cermet und ein Verfahren zur Herstellung des Dehnungsmeßstreifens.
Dehnungs- und Spannungsmesser, insbesondere in Form von Dehnungsmeßstreifen werden zur elektrischen
Messung von Kräften, Druck, Biegungen, Dehnungen und dergl. angewendet. Obwohl für Dehnungsmeßstreifen im allgemeinen
Metalle, z.B. Chrom, verbreitet angewendet werden, haben sich Halbleitermaterialien wegen bestimmter Vorteile ebenfalls eingeführt,
da sie eine steilere Kennlinie haben und kleiner aufgebaut sein können. Das Temperaturverhalten von Halbleitern ließ jedoch
nicht alle an sie zu stellenden Forderungen befriedigend erfüllen, insbes. bei Präzisionsspannungsmessungen.
Dehnungsmeßstreifen werden im allgemeinen in einer elektrischen
Brückenschaltung, z.B. einer Wheatstone1sehen Brückenschaltung,
eingesetzt. Es ist wichtig, daß die thermische Empfindlichkeitsänderung positiv ist und bleibt. Außerdem möchte man gerne den
Widerstandstemperaturkoeffizienten derart beeinflussen können, daß er sich innerhalb eines schmalen Bereichs befindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zubereitung für eine Widerstandsschicht, einen Dehnungsmeßstreifen, der die genannten
Forderungen besonders gut erfüllt, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Dehnungsmeßstreifens anzugeben.
Die diesbezüglichen Lösungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 1, 3 und 8. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
2, 4 bis 7 und 9 und 10 angegeben.
Die Isolierschicht und die Widerstandsschicht des Dehnungsmeßstreifens
werden zweckmäßigerweise im Vakuum auf das Trägersubstrat aufgedampft. Nach dem Aufbringen ist ein Anlassen im Vakuum sehr
zweckmäßig, um den Widerstandstemperaturkoeffizienten und die thermische Empf-indlichkeitsveränderung in die gewünschten Bareiche
zu legen. Ist eine besonders positive Charakteristik des Taperaturkoeffizienten des Widerstandes und der thermischen
Empfindlichkeitsänderung erwünscht, läßt sich dies durch einen zweiten Anlaßvorgang bei höherer Temperatur als beim ersten Anlassen
erzielen.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dehnungsmeßsteifens
ist anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die eine Teilschnittansicht darstellt.
Der Dehnun^meßstreifen bzw. Dehnungsmesser 10 umfaßt ein Trägersubstrat
11 aus einem wärmebehandelten korrosionsfreiem Stahl, auf dessen einer Oberfläche eine Isolierschicht 12 aus Siliciummonoxyd
niedergeschlagen ist. Auf dieser befindet sich eine elektrische Widerstandsschicht 13 aus einem erfindungsgemäßen Cermet,
welche im Vakuum auf die Siliciummonoxydschicht aufgedampft ist. Elektrische Anschlußfahnen 14 aus Chrom für den Anschluß an die
Widerstandsschicht 13 sind ebenfalls im Vakuum aufgedampft worden.
Anschließend wurde der ganze Dehnungsmeßstreifen angelassen, um ihm den gewünschten Widerstandstemperaturkoeffizienten und eine
postive Temperaturcharakteristik der Empfindlichkeitsveränderung zu geben.
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«χ
Die Empfindlichkeit eines Dehnungsmessers, die im wesentlichen
als Ausgangsspannung in Abhängigkeit einer gegebenen Treiberspannung bei der Beanspruchung des Meßstreifens gemessen wird,
ändert sich mit einer Temperaturänderung des Meßstreifens. Die in Verbindung mit Dehnungsmeßstreifen üblicherweise eingesetzte
Temperaturkompensationsschaltung kann den Temperatureinfluß dann ohne weiteres ausgleichen, wenn dieser positiv ist, d.h. wenn mit
der Temperatur die Änderungen oder Veränderungen der Empfindlichkeit zunehmen. Sehr schwierig dagegen ist es, lineare oder negative
Veränderungen zu beherrschen. Aus diesem Grunde ist es wichtig, daß jedes für den Einsatz in Dehnungsmeßstreifen vorgesehene Material
einen positiven Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeitsveränderung
bei Temperaturerhöhung aufweist. um praktisch einsatzfähig zu sein.
Die erfindungsgemäß zu verwendende Zubereitung für die Widerstandsschicht
ist eine Legierung aus einem keramischen Werkstoff und einem Metall, die als Cermet bezeichnet wird. Besonders gute Ergebnisse
haben sich bis jetzt aus Widerstandsschichtfilmen der in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Zusammensetzung ergeben.
Besonders bevorzugt ist die Zusammensetzung gemäß Anspruch
Dehnungsmeßstreifen mit einer Widerstandsschicht gemäß Anspruch
habeneinen Temperaturwiderstandskoeffizienten, der in einem sehr engen Bereich von -20 ppm/°c bis +2 0 ppm/°c liegen kann, und eine
positive Temperaturcharakteristik der thermischen Empfindlichkeitsveränderung.
Man hat angenommen, daß ein Zweikomponenten-Cermet aus Chrom und
Siliciummonoxyd die erwünschten Eigenschaften, die für Dehnungsmeßstreifen
gefordert werden, aufweist. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch, wenn eine Dehnungsmeßstreifertrückenschaltung aus Chrom/
Siliciummonoxyd im Verhältnis 2,5 : 1 einen positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten
und eine positive thermische Empfindlichkeit: Veränderung aufweist, der Widerstandstemperaturkoeffizient viel zu
positiv in den Fällen ist, in denen ein geringer Temperaturkoeffizient für die Empfindlichkeitsveränderung erforderlich ist.
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*mit Widerstandsschichten
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Es wurde jedoch dann überraschend gefunden, daß durch Zusatz von Nickel zu dem Cermet-Werkstoff aus Chrom und Siliciummonoxyd der
Widerstandstemperaturkoeffizient in kontrollierbarer Weise erniedrigt
werden kann, d.h. weniger positiv einstellbar ist, ohne daß dadurch die thermische Empfindlichkeitsveränderung eine negative
Kennlinie erhält.
Während des Anlassens, insbes. bei wenigstens etwa 4300C, verändern
sich die beiden Werkstoffe unterschiedlich. Bei Widerstandsschichten aus Chrom und Siliciummonoxyd stellt man eine positive Zunahme
des Widerstandstemperaturkoeffizienten fest, während die thermische
Empfindlichkeitsveäiderung entweder die gleiche bleibt oder abnimmt,
d.h. negativ wird. Die Widerstandsschichten aus den erfindungsgemäßen drei Komponenten zeigen dagegen beim Anlassen,
daß sich in positiver Richtung sowohl der Widerstandstemperaturkoeffizient als auch die thermische Empfindlichkeitsveränderung
verändert. Diese Eigenschaft der positiven Veränderung (Zunahme) des Widerstandskoeffizienten und der Empf ind-.lichkeitsveränderung
bewirkt die erwünchte Kontrollier- bzw. Einstellbarkeit des Widerstandstemperaturkoeffizienten
ohne dadurch den Dehnungsmeßstreifen insgesamt unbrauchbar oder praktisch unbrauchbar dadurch zu machen,
daß eine negative Temperatuicharakteristik der Empfindlichkeitsveränderung bewirkt wird.
Wenn nach einem Anlassen im Vakuum bei etwa 43 00C man feststellt,
daß der Widerstandstemperaturkoeffizient noch nicht ausreichend positiv ist, ist ein zweites Mal bei einer höheren Temperatur, beispielsweise
bei 5100C, anzulassen, um die positive Temperaturcharakteristik
des Widerstandskoeffizienten und darüberhinaus die der Empfindlidiceitsveränderung zu erzielen. Im Gegensatz dazu bewirkt
das Anlassen bei einer höheren Temperatur einer Widerstandsschicht aus den zwei Komponenten Chrom und Siliciummonoxyd zwar eine
Zunahme der Temperaturcharakteristik des Widerstandskoeffizienten jedoch in den meisten Fällen gleichzeitig eine Abnahme der Temperaturcharakteristik
der Empfindlichkeitsveränderung.
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Claims (10)
1./ Cermet für elektrischleitfähige Bauelemente, insbesondere
Widerstandsschichten für Spannungs- und Dehnungsmesser (Dehnungsmeßstreifen) im wesentlichen bestehend aus:
65 bis 70 % Chrom, 18 bis 32 % Siliciummonoxyd,
3 bis 12 % Nickel.
2.
Cermet nach Anspruch 1 bestehend aus;
65 % Chrom, 25 % Siliciummonoxyd, 10 % Nickel.
3. Dehnungsmeßstreifen mit einem elektrisch leitfähigen
Substrat (11), einer Isolierschicht (12) auf dem Substrat und einer elektrisch leitfähigen Widerstandschicht (13) auf der
Isolierschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandsschicht im wesentlichen besteht aus:
65 bis 70 % Chrom, 18 bis 32 % Siliciummonxyd, 3 bis 12 % Nickel.
4. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) aus korrosionsfreiem
Stahl besteht.
5. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Isolierschicht (12) aus Siliciummonoxyd
besteht.
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ORIGINAL INSPECTED
6. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (11) aus korrosionsfreiem
Stahl und die Isolierschicht (12) aus Siliciummonoxyd besteht.
7. Dehnungsmeßstreifen nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet , daß die Isolierschicht (12) und die Widerstandsschicht (13) aufgedampfte Filme sind.
8. Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmeßstreifens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die
Widerstandsschicht (13) nach dem Aufbringen auf die Isolierschicht
(12) zur Erhöhung des Temperaturkoeffizienten des Widerstands
angelassen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Anlaßen durch Erhitzen des Isolierschicht- und des Widerstandsshichtfilms auf wenigstens 430 0C erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichn
e t , daß ein zweites Mal bei einer höheren Temperatur als 4300C angelassen wird, insbesondere bei mehr als etwa 5100C.
709847/0916
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