DE2724817A1 - Strain gauge bridge balancing system - uses strips of increased width connecting gauges whose cross=section is adjusted - Google Patents
Strain gauge bridge balancing system - uses strips of increased width connecting gauges whose cross=section is adjustedInfo
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Abstract
Description
Verfahren zum Abgleichen einer DehnungsmeßstreifenvollbrückeProcedure for adjusting a full bridge strain gauge
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abgleichen einer Dehnungsmeßstreifenvollbrücke, bestehend aus vier als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Brückenzweigen, wobei jeweils benachbarte Enden zweier Brückenzweige durch gegenüber den Brückenzweigen verbreiterte Leiterflächen miteinander verbunden sind, bei dem zunächst durch Anlegen einer Brückenspeisespannung die Unsymmetrie der Brücke nach Betrag und Vorzeichen der Brückenausgangsspannung festgestellt wird, daraus anschließend der zu bearbeitende Brückenzweig ermittelt und dieser auf den gewünschten Widerstandswert abgeglichen wird.The invention relates to a method for adjusting a Strain gauge full bridge, consisting of four designed as strain gauges Bridge branches, with adjacent ends of two bridge branches through opposite the bridge branches widened conductor surfaces are connected to each other, in which first of all, by applying a bridge supply voltage, the asymmetry of the bridge is corrected The magnitude and sign of the bridge output voltage is determined, from this subsequently the bridge branch to be processed is determined and this is set to the desired resistance value is matched.
Sowohl einstückige als auch aus mehreren Teilen zusammengesetzte Dehnungsmeßstreifenvollbrücken sind an sich bekannt.Both one-piece and full-length strain gauges made up of several parts are known per se.
Solche Meßbrückenanordnungen werden häufig vierarmig ausgebildet und stellen ein auf mechanische Zug- oder Druckspannungen empfindlich reagierenden Meßwertaufnehmer dar, in dem Sinne, daß bei Anlegen einer mechanischen Spannung sich der elektrische Widerstand eines oder mehrerer der aus Dehnungsmeßstreifen aufgebauten Brückenzweige verändert. Die bei fehlender mechanischer Belastung abgeglichene Brücke liefert dann unter Belastung ein der anliegenden mechanischen Spannung proportionales, elektrisches Ausgangssignal. So ist z.B. in der DT-AS 16 48 724 eine vierarmige Meßbrückenanordnung beschrieben, die durch einen einzigen Aufdampfvorgang hergestellt ist. Die einzelnen als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Briickenzweige sowie ihre zwischen den Brückenzweigen liegenden, gleichzeitig mit ihnen auf einem isolierenden Träger aufwachsenden Anschlußstücke werden unter Vakuumverdampfung eines elektrisch leitenden Materials mit hohem elektrischen Widerstand, z.B. einer Legierung aus Cr und Si, als dünne Widerstandsschicht mit einer Dicke von 200 i bis 500 i gefertigt.Such measuring bridge arrangements are often designed with four arms and represent a transducer that reacts sensitively to mechanical tensile or compressive stresses represents, in the sense that when a mechanical voltage is applied, the electrical Resistance of one or more of the bridge branches made up of strain gauges changes. The bridge, balanced in the absence of mechanical load, delivers then under load an electrical voltage proportional to the applied mechanical tension Output signal. For example, in DT-AS 16 48 724 there is a four-armed measuring bridge arrangement described, which is produced by a single vapor deposition process. The single ones bridge branches designed as strain gauges as well as their between the bridge branches lying, at the same time growing up with them on an insulating support connection pieces become one under vacuum evaporation electrically conductive material with high electrical resistance such as an alloy of Cr and Si as thin Resistance layer made with a thickness of 200 i to 500 i.
Bei einem weiteren aus der DT-OS 14 73 442 bekannten Herstellungsverfahren von Dehnungsmeßstreifenvollbrücken wird aus einem nach dem bekannten Czochralski-Verfahren ("Introduction to Semicouductors", W.C. Dunlap, 1957, Verlag J. Wiley and Sons, Inc., N.Y.) gezüchteten Einkristall eine Meßbrückenanordnung in der Weise gewonnen, daß die nicht zur Brückenstruktur gehörenden Teile des Einkristalls herausgeschnitten werden.In another manufacturing process known from DT-OS 14 73 442 of full bridges of strain gauges is made from one according to the known Czochralski method ("Introduction to Semicouductors", W.C. Dunlap, 1957, J. Wiley and Sons, Inc., N.Y.) grown single crystal obtained a measuring bridge arrangement in such a way that that the parts of the single crystal not belonging to the bridge structure are cut out will.
Weiterhin ist es aus der DT-OS 14 73 698 bekannt, durch chemisches Ätzen Meßbrückenanordnungen aus einer elektrisch leitenden Metallfolie, die ihrerseits auf einem isolierenden Träger ruht, herauszuarbeiten, wobei photolithographische Techniken angewendet werden.It is also known from DT-OS 14 73 698, by chemical Etching measuring bridge assemblies from an electrically conductive metal foil, which in turn resting on an insulating support, carving out, being photolithographic Techniques are applied.
Die oben angeführten Herstellungsverfahren haben alle gemeinsam den Nachteil, daß mit ihnen infolge unvermeidlicher Prozeßtoleranzen keine im Ruhezustand völlig symmetrischen Deh-~nungsmeßstreifenvollbrücken gefertigt werden können. Sie liefern daher in unbelastetem Zustand ein von Null abweichendes Brückenausgangssignal, so daß ein nachträglicher Abgleich, der auf verschiedene Weisen vorgenommen werden kann, erforderlich ist.The manufacturing processes listed above all have in common the Disadvantage that with them due to unavoidable process tolerances none in the idle state fully symmetrical strain gauges full bridges can be manufactured. she therefore deliver a non-zero bridge output signal in the unloaded state, so that a subsequent adjustment can be made in various ways can, is required.
Es ist bekannt, eine zum Zwecke des Brückenabgleichs gezielte Widerstandsänderung der Brückenzweige dadurch vorzunehmen, daß von den aus Dehnungsmeßstreifen aufgebauten Brückenzweigen großflächig Widerstandsmaterial entweder abgeätzt oder mechanisch abgeschliffen wird (siehe DT-AS 16 48 724, DT-OS 14 73 442).It is known to change the resistance specifically for the purpose of bridge balancing to make the bridge branches that of the built up of strain gauges Bridge branches over a large area of resistance material either etched or mechanically is sanded off (see DT-AS 16 48 724, DT-OS 14 73 442).
Außer der Tatsache, daß die Widerstandsänderung pro Arbeitsgang relativ groß ist, bereitet die Automatisierung dieses Vorgangs Schwierigkeiten. Hinzu kommt ein relativ großer Aufwand, das aggressive Ätzmittel nach Beendigung des Abgleichvorgangs zu beseitigen.Except for the fact that the change in resistance per operation is relative is large, the automation prepares this process Trouble. In addition, there is a relatively large effort, the aggressive etching agent after completion the adjustment process.
Andererseits werden Dünnfilm-Dehnungsmeßstreifen bzw. ganze Meßbrückenanordnungen häufig durch Laser abgeglichen, indem schmale Randzonen des jeweils in seinem Widerstand zu verändernden Brückenzweiges über dessen gesamte Länge mittels eines fokussierten Laserstrahls weggebrannt werden. Dieses Abgleichverfahren ist jedoch, gerade bei der Widerstandsänderung eines sehr schmalen Brückenzweiges, deswegen nachteilig, weil eine sehr genaue Positionierung des zu verändernden Brückenzweiges relativ zum schneidenden Laserstrahl erforderlich ist, und weil außerdem mit einem sehr kleinen genau reproduzierbaren Laserfokus gearbeitet werden muß. Die Breite der Brückenzweige liegt im allgemeinen bei etwa 100/um, während der fokussierte Laserstrahl einen Brennfleckdurchmesser von ungefähr 5/um hat. Aufgrund dieser Abmessungen kann lediglich eine relative Widerstandsänderung des Brückenzweiges von miniwal etwa 1 % reproduzierbar erreicht werden.On the other hand, thin-film strain gauges or entire measuring bridge arrangements are used often calibrated by laser, adding narrow margins of each in its resistance to be changed bridge branch over its entire length by means of a focused Be burned away by the laser beam. However, this matching procedure is, especially at the change in resistance of a very narrow bridge arm, therefore disadvantageous, because a very precise positioning of the bridge branch to be changed is relative is required for the cutting laser beam, and because also with a very small precisely reproducible laser focus must be worked. The width of the Bridge branches is generally around 100 / µm while the focused laser beam has a focal spot diameter of approximately 5 µm. Because of these dimensions, only a relative change in resistance of the bridge branch from miniwal for example 1% can be achieved reproducibly.
Ein Feinabgleich einer Dehnungsmeßstreifenbrücke ist somit -bisher nicht zu realisieren. Hinzu kommt, daß die stehenbleibenden Schmelzränder einen anderen Temperaturkoeffizienten und auch andere mechanische Eigenschaften gegenüber dem Material des Brückenzweiges besitzen, wodurch sich das Verhalten der gesamten Dehnungsmeßstreifenvollbrücke in undefinierter Weise ändert.A fine adjustment of a strain gauge bridge is therefore up to now not to be realized. In addition, the melting edges that remain other temperature coefficients and also other mechanical properties own the material of the bridge branch, which changes the behavior of the entire Strain gauge full bridge changes in an undefined manner.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abgleichen einer Dehnungsmeßstreifenvollbrücke anzugeben, das in sehr feinen Abstufungen und zudem wesentlich exakter und schneller erfolgen kann.The invention is based on the object of a method for matching a strain gauge full bridge to indicate that in very fine gradations and can also be done much more precisely and faster.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Widerstandsänderung des zu bearbeitenden Brückenzweiges durch Querschnittsänderung der zu ihm elektrisch in Reihe geschalteten verbreiterten Leiterfläche erfolgt.This object is achieved in that the Change in resistance of the bridge branch to be processed by changing the cross-section of the electrical connection to it widened conductor surface connected in series takes place.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die sehr schmalen Brückenzweige selbst nicht zum Abgleichen herangezogen zu werden brauchen und somit keine uneramnschten Veränderungen durch den Abgleichprozeß erfahren.In this way it is achieved that the very narrow bridge branches do not need to be used for the comparison and thus no unwanted ones Experience changes through the reconciliation process.
Vorzugsweise wird die Querschnittsänderung der verbreiterten Leiterfläche mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls vorgenommen, vorzugsweise indem mit ihm ein Spalt in die verbreiterte Leiterfläche eingeschnitten wird. Hierdurch erreicht man, daß die Dehnungsmeßstreifenvollbrücke außerordentlich fein abgleichbar ist, da der Verlauf des Spaltes in Abhängigkeit des Brückenausgangssignals während des Schneidvorganges steuerbar ist und somit sehr kleine Widerstandsänderungen der verbreiterten Leiterfläche erzielbar sind.The change in cross-section of the widened conductor surface is preferred done with the help of a focused laser beam, preferably by using it a gap is cut in the widened conductor surface. Achieved by this one that the strain gauge full bridge can be adjusted extremely fine, since the course of the gap depends on the bridge output signal during the Cutting process is controllable and thus very small changes in resistance of the widened Conductor area are achievable.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Draufsicht einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung abgleichbaren vierarmigen Dehnungsmeßstreifenvollbrücke, Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Brücke nach Fig. 1.The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawing. 1 shows a plan view of a trimmable according to the method according to the invention four-armed strain gauge full bridge, Fig. 2 shows an enlarged section the bridge according to FIG. 1.
Nach Fig. 1 besteht die Dehnungsmeßstreifenvollbrücke aus vier als Dehnungsmeßstreifen wirksamen schmalen Brückenzweigen 1, 2, 3, 4 von etwa 100/um Breite, zu denen sich in Richtung der Brückenzweige erstreckende und gegenüber diesen im wesentlichen nach einer Seite stark verbreiterte Leiterflächen 5, 6, 7, 8 von etwa 1 mm Breite elektrisch in Reihe geschaltet sind, welche zum Abgleichen der Dehnungsmeßstreifenvollbrücke dienen.According to Fig. 1, the strain gauge full bridge consists of four as Strain gauges effective narrow bridge branches 1, 2, 3, 4 of about 100 / um Width to which extending in the direction of the bridge branches and opposite these conductor surfaces 5, 6, 7, 8 of about 1 mm wide are electrically connected in series, which are used for balancing the Full bridge strain gauges are used.
Obwohl im Prinzip nur zwei dieser verbreiterten Leiterflächen 5, 6, 7, 8 für einen optimalen Abgleich erforderlich wären, sind zwecks Einhaltung der Symmetrie alle vier Ecken der Dehnungsmeßstreifenvollbrücke mit ihnen versehen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei den Leiterflächen 5, 6, 7, 8 um in geeigneter Weise verbreiterte Endstücke der dehnungsempfindlichen Brückenzweige 1, 2, 3, 4. An die vier verbreiterten Leiterflächen 5, 6, 7, 8 schließen sich jeweils Kontaktelektroden 9, 10, 11, 12 an.Although in principle only two of these widened conductor surfaces 5, 6, 7, 8 would be required for an optimal adjustment, are in order to comply with the Symmetry, all four corners of the strain gauge full bridge are provided with them. In the simplest case, the conductor areas 5, 6, 7, 8 are suitable Way widened end pieces of the stretch-sensitive bridge branches 1, 2, 3, 4. Contact electrodes each adjoin the four widened conductor surfaces 5, 6, 7, 8 9, 10, 11, 12 on.
Fig. 2 zeigt, vergrößert dargestellt, die verbreiterte Leiterfläche 5, die Kontaktelektrode 9 sowie die beiden Brückenzweige 1 und 2. Die verbreiterte Leiterfläche 5, die auch als Trimmfeld bezeichnet werden kann, stellt einen elektrisch in Reihe zum Brückenzweig 1 geschalteten Widerstand dar, dessen Wert so gewählt wird, daß er etwa 2 bis 8 % des Widerstandswertes des Brückenzweiges 1 beträgt. Der Verlauf der in der Leiterfläche 5 und in den Brückenzweigen 1 und 2 gestrichelt eingezeichneten Äquipotentiallinien vor der Querschnittsändetung verdeutlicht die Widerstandsverhältnisse. T.[ährend sich das Potential längs des Brückenzweiges 1 um etwa 60 relative Einheiten (U1 - U60) gleichmäßig über dessen Länge ändert, -variiert es innerhalb der Leiterfläche 5, wegen dessen veränderter Geometrie, ungleichmäßig mit der Länge und über nur etwa fünf relative Einheiten (U61 - U65), so daß das oben angegebene Widerstandsverhältnis zustande kommt. Dem Verlauf der Äquipotentiallinien ist weiter zu entnehmen, daß durch die Form der Leiterfläche 5 der den Brückenzweig 1 durchfließende Strom nicht gleichmäßig, dem Breitenverhältnis zwischen Brückenzweig und Leiterfläche entsprechend, über die gesamte Breite der Leiterfläche 5 verteilt ist. Dieser folgt vielmehr in entgegengesetzter Richtung den senkrecht auf den Äquipotentiallinien stehenden (nicht gezeichneten) elektrischen Feldlinien, woraus folgt, daß eine unsymmetrische, der Geometrie der Leiterfläche 5 entsprechende Verteilung der Stromdichte vorliegt. Der Betrag der Stromdichte nimmt zum Außenrand 5a der Leiterfläche 5 hin stark ab, so daß vorzugsweise in diesem Gebiet eine Widerstands änderung vorgenommen wird. Diese kann zum Beispiel so erfolgen, daß der wirksame Querschnitt der Leiterfläche 5 mittels eines durch einen Laserstrahl eingeschnittenen Spaltes 13 verändert wird, dessen Verlauf in Abhängigkeit des Brückenausgangssignals von einem Rechner bestimmbar ist.Fig. 2 shows, shown enlarged, the widened conductor surface 5, the contact electrode 9 and the two bridge branches 1 and 2. The widened Conductor area 5, which can also be referred to as a trimming field, represents an electrical one resistance connected in series to bridge branch 1, the value of which is chosen in this way becomes that it is about 2 to 8% of the resistance value of the bridge arm 1. The course of the in the conductor area 5 and in the bridge branches 1 and 2 is dashed The equipotential lines drawn in front of the cross-section change illustrate the Resistance Ratios. T. [while the potential along the bridge branch 1 changes by about 60 relative units (U1 - U60) evenly over its length, -variates it within the conductor surface 5, because of its changed geometry, unevenly with the length and over only about five relative units (U61 - U65), so that the resistance ratio given above comes about. The course of the equipotential lines it can also be seen that the shape of the conductor surface 5 of the bridge branch 1 current flowing through not evenly, the width ratio between the bridge branch and conductor surface accordingly, distributed over the entire width of the conductor surface 5 is. Rather, this follows in the opposite direction to that perpendicular to the equipotential lines standing (not shown) electric field lines, from which it follows that an asymmetrical, the distribution of the current density corresponding to the geometry of the conductor surface 5 is present. The amount of the current density decreases sharply towards the outer edge 5a of the conductor surface 5, so that a change in resistance is preferably made in this area. This can be done, for example, so that the effective cross-section of the conductor surface 5 is changed by means of a gap 13 cut by a laser beam, its course can be determined by a computer as a function of the bridge output signal is.
Hierdurch wird ein feiner Brückenabgleich möglich, wobei fUr Brückenzweig und Leiterfläche gemeinsam relative Widerstandsänderungen von 210-6 reproduzierbar zu erreichen sind.This enables a fine bridge adjustment, whereby for bridge branch and conductor area together, relative changes in resistance of 210-6 are reproducible can be reached.
Die Fertigung der Dehnungsmeßstreifenvollbrücke nach Fig. 1 kann so erfolgen, daß aus einer vollflächigen Metallfolie aus z.B. Konstantan, oder aus einem etwa 0,1 - 0,5/um dicken und z.B. aus einer Ni-Cr-Legierung durch Aufdampfen oder Sputtern hergestellten Dünnfilm mit Hilfe eines Lasers die gewünschte Struktur herausgebrannt wird. Hierzu wird die zu strukturierende Metallfolie bzw. der Dünnfilm auf einem numerisch steuerbaren X-Y-Tisch befestigt und unter einen fokussierten Laserstrahl -mit etwa 5um Brennfleckdurchmesser längs der zu schneidenden Bahn geführt. Besonders vorteilhaft ist es, im Anschluß an die Strukturierung und nach Messung der Unsymmetrie der Dehnungsmeßstreifenvollbrücke sofort den Widerstandsabgleich an den zu bearbeitenden Leiterflächen 5, 6, 7, 8 mittels des fokussierten Laserstrahls vorzunehmen.The production of the strain gauge full bridge according to FIG. 1 can be take place that from a full-surface metal foil from e.g. constantan, or from one about 0.1-0.5 / µm thick and made, for example, of a Ni-Cr alloy by vapor deposition or sputtering produced thin film with the help of a laser the desired structure is burned out. For this purpose, the metal foil to be structured or the thin film mounted on a numerically controllable X-Y table and under a focused one Laser beam guided along the path to be cut with a focal spot diameter of about 5um. It is particularly advantageous after structuring and after measurement the asymmetry of the strain gauge full bridge immediately the resistance adjustment on the conductor surfaces 5, 6, 7, 8 to be processed by means of the focused laser beam to undertake.
Der Bereich zwischen den Leiterflächen 5, 6, 7, 8 und den Kontaktelektroden 9, 10, 11, 12 ist so ausgeführt, daß sich hier ein im Verhältnis zu ihren geometrischen Abmessungen schmaler Übergang 14, 15, 16, 17 von etwa 100/um Breite befindet. Hierdurch wird erreicht, daß nach dem Abgleichen der Dehnungsmeßstreifenvollbrücke durch das Anbringen von Zuleitungen an die Kontaktelektroden 9, 10, 11, 12 durch Bonden, Kleben oder Löten, die Widerstandsverhältnisse innerhalb der Dehnungsmeßstreifenvollbrücke nicht mehr verändert werden. Die schmalen Ubergänge 14, 15, 16, 17 sind insbesondere dann notwendig, wenn die Kontaktelektroden 9, 10, 11, 12 ebenso wie die als Dehnungsmeßstreifen wirksamen Brückenzweige 1, 2, 3, 4 und die Leiterflächen 5, 6, 7, 8 aus hochohmigem Widerstandsmaterial, wie z.B. aus Konstantan oder aus einer Ni-Cr-Legierung, bestehen. Sind die Kontaktelektroden 9, 10, 11, 12 aus einem niederohmigen Material, z.B. Au, gefertigt, brauchen die Übergänge 14, 15, 16, 17 nicht so schmal ausgeführt zu werden.The area between the conductor surfaces 5, 6, 7, 8 and the contact electrodes 9, 10, 11, 12 is designed so that there is one in relation to their geometric Dimensions narrow transition 14, 15, 16, 17 of about 100 / um width is located. Through this it is achieved that after the strain gauge full bridge has been calibrated by the Attaching leads to the contact electrodes 9, 10, 11, 12 by bonding, Adhere or soldering, the resistance ratios within the strain gauge full bridge can no longer be changed. The narrow transitions 14, 15, 16, 17 are in particular then necessary when the contact electrodes 9, 10, 11, 12 as well as the strain gauges effective bridge branches 1, 2, 3, 4 and the conductor surfaces 5, 6, 7, 8 made of high resistance Resistance material such as constantan or a Ni-Cr alloy. Are the contact electrodes 9, 10, 11, 12 made of a low-resistance material, e.g. Au, manufactured, the transitions 14, 15, 16, 17 do not need to be made so narrow to become.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |