DE2842190C2 - Strain gauges in thick film technology - Google Patents

Strain gauges in thick film technology

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DE2842190C2 DE19782842190 DE2842190A DE2842190C2 DE 2842190 C2 DE2842190 C2 DE 2842190C2 DE 19782842190 DE19782842190 DE 19782842190 DE 2842190 A DE2842190 A DE 2842190A DE 2842190 C2 DE2842190 C2 DE 2842190C2
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance

Description

derlichem Widerstandswert sind 3 bis 12 Gewichtsprozent Graphit und 0 bis 30 Gewichtsprozent Silber vorzusehen. Zur Einstellung der Viskosität erwiesen sich die Verwendung von 10 bis 30 Gewichtsprozent «-Terpineol und von 5 bis 10 Gewichtsprozent Äthylcellulose mit ca. 60 Prozent Benzylalkohol als besonders günstig. Mit der angegebenen Rezeptur sind einerseits ein hoher K-Wert und andererseits eine geringe Temperaturabhängigkeit des Dehnmeßstreifens festzustellen. Der Widerstandswert wird im wesentlichen durch die Pigmentierung beeinflußt Ein hoher Anteil von Silber verringert den Widerstandswert, während durch die bloße Verwendung von Graphit anstelle eines Gemisches aus Graphit und Silber der Widerstandswert erhöht werden kann. Je nach Anteil und Zusammensetzung der übrigen Komponenten sind die Stellmittel «-Terpineol und Äthylcellulose zuzufügen.the same resistance value is 3 to 12 percent by weight Provide graphite and 0 to 30 percent by weight silver. To adjust the viscosity were found the use of 10 to 30 percent by weight «terpineol and from 5 to 10 percent by weight ethyl cellulose with about 60 percent benzyl alcohol as particularly favorable. With the specified formulation, on the one hand, a high K value and, on the other hand, a low temperature dependency of the strain gauge can be determined. The resistance value is essentially influenced by the pigmentation. A high proportion of silver is reduced the resistance value while made up by the mere use of graphite instead of a mixture Graphite and silver the resistance value can be increased. Depending on the proportion and composition of the rest The thickening agents - terpineol and ethyl cellulose are to be added to the components.

Das beschichtete Basismaterial wird nun getrocknet, gebrannt und gehärtet Hierbei sind die bekannten Behandlungsmethoden der Dickschichttechnik anwendbar. Günstige Ergebnisse wurden im Versucn bei einer Trocknungsdauer von etwa 10 Minuten bei etwa 100°C erzielt Das Brennen erfolgt vorteilhafterweise bei 3000C Haltetemperatur bei geringem Luftdurchsatz. Die Brennbedingungen sind je nach Schicht in weiten Bereichen variierbar. Die Brenndauer kann zwischen 30 und 90 Minuten betragen, die Haltetemperatur ist zwischen 200°C und 350°C variierbar. Das Härten erfolgt in ca. 20 Stunden bei einer Temperatur von etwa 200° C. Durch die mögliche Wahl von relativ niedrigen Brenntemperaturen i«,* es auch möglich, elastisches Basismaterial ohne Zwischenbclag «tirekt 7." beschichten. Als Basismaterial kann daher gegebenenfalls das Meßobjekt selbst verwendet werden. Durch -\rt und Dauer der Wärmebehandlung ist es möglich, den Widerstandswert der Schicht mit zu beeinflussen. Nach dem Härten ist der nun fertiggestellte Dehnmeßstreifen mit nahezu allen bekannten Leitschichten kontaktierbar. Er kann daher sowohl in Dünn- und Dickschichtschaltungen eingefügt als auch mit Leitklebern oder Druckkontakten kontaktiert werden. Der Abgleich des fertigen Dehnmeßstreifens kann manuell oder automatisch durch Ritzer-, mit Laserstrahl oder durch Sandstrahlen erfolgen.The coated base material is then dried, fired and cured. The known treatment methods of thick-film technology can be used here. Favorable results have been achieved in Versucn at a drying period of about 10 minutes at about 100 ° C Firing is advantageously at 300 0 C hold temperature and low air flow. The firing conditions can be varied over a wide range depending on the layer. The burning time can be between 30 and 90 minutes, the holding temperature can be varied between 200 ° C and 350 ° C. Curing is in about 20 hours at a temperature of about 200 ° C. Due to the possible choice of relatively low firing temperatures i "* it possible to coat elastic base material without Zwischenbclag" tirekt 7 ". Therefore As a base material, optionally, the The test object itself can be used. The duration and duration of the heat treatment make it possible to influence the resistance value of the layer. After hardening, the now completed strain gauge can be contacted with almost all known conductive layers. It can therefore be inserted into both thin and thick layer circuits as well as with conductive adhesives or pressure contacts.

Durch die Verwendung von nichtleitenden Substanzen mit leitenden Einschlüssen ist eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit und damit des /C-Faktors gegeben. Dies geschieht durch Änderung des spezifischen Widerstandes bei einer Änderung der Leiterlänge· The use of non-conductive substances with conductive inclusions is a substantial increase the sensitivity and thus the / C factor. This is done by changing the specific Resistance when changing the conductor length

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Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Dehnmeßstreifen zur Messung einer mechanischen Verformung durch Veränderung des elektrischen Widerstandes -einer, auf ein der mechanischen Verformung unterworfenes Basismaterial' aufgebrachten Widerstandsschicht, die Graphit und/oder Silber als elektrisch leitfähige Partikel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht in Form einer Paste aufgebracht ist, die außer den elektrisch leitfähigen Partikeln als Trägermaterial zur Einstellung einer für die Verarbeitung geeigneten Konsistenz Isophthalsäure mit Styrol. Λ-Terpineol sowie Ethylcellulose mit Benzylalkohol enthält.1. Strain gauges for measuring mechanical deformation due to changes in electrical deformation Resistance - a base material which is subjected to mechanical deformation ' Resistance layer, which contains graphite and / or silver as electrically conductive particles, thereby characterized in that the resistance layer is applied in the form of a paste, apart from the electrically conductive particles as a carrier material for setting one for processing suitable consistency isophthalic acid with styrene. Λ-terpineol and ethyl cellulose with benzyl alcohol contains. 2. Dehnmeßstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Basismaterial aufzubringende Paste2. Strain gauge according to claim 1, characterized in that the to be applied to the base material paste 25—48Gew.-%25-48% by weight 10-30 Gew.-%
5-10Gew.-%
10-30% by weight
5-10% by weight
3-12Gew.-%
0-30Gew.-%
3-12% by weight
0-30% by weight
Isophthalsäure mit
20% Styrol,
dr-Terpineol,
Ethylcellulose mit
ca. 60% Benzylalkohol,
Graphit sowie
Silber enthält.
Isophthalic acid with
20% styrene,
dr-terpineol,
Ethyl cellulose with
approx. 60% benzyl alcohol,
Graphite as well
Contains silver.
Die Erfindung betrifft einen Dehnmeßstreifen zur KJessung einer mechanischen Verformung durch Veränderung des elektrischen Widerstandes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a strain gauge for measuring mechanical deformation due to change the electrical resistance according to the preamble of claim 1. Dehnmeßstreifen sind seit langem bekannt und in der Literatur bereits ausführlich beschrieben worden. In F. X. Eder, Moderne Meßmethoden der Physik, VEB Verlag der Wissenschaften, Berlin 1968, Teil 1, Seite 329 wird vorgeschlagen, Dehnmeßstreifen aus dünnstem Manganindraht herzustellen, der mäanderförmig zwischen dünnes Papier als Basismaterial geklebt ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, auf einer Acryl- oder Phenylharzunterlage einen Meßdraht aus Konstanten einzubetten. Wie in dieser Literaturstelle ausführlich erläutert, ist die Empfindlichkeit des Dehnmeßstreifens durch den sogenannten K-Faktor bestimmt. Bei den üblichen Dehnmeßstreifen liegt der K-Faktor in der Größenordnung von zwei. Weiterhin ist es bereits bekannt, statt Meßdrähte auf das Basismaterial aufzukleben, dünne Metallfilme auf ein Basismaterial aufzudampfen (DE-OS 27 41 055). Aus der US-PS 24 92 429 ist es bekannt, zur Herstellung eines Dehnmeßstreifens Graphit als Widerstandsmaterial auf ein elastisches Kunststoff-Basismaterial aufzubringen, wobei die Dicke der Graphitschicht lediglich durch den zu erreichenden elektrischen Widerstand definiert ist. Zum Aufbringen des Graphits auf das Basismaterial wird dieser in einer Flüssigkeit suspendiert, die das flexible Kunststoffmaterial anzulösen in der Läge ist, um auf diese Weise eine Haftung des Graphits am Basismaterial zu erreichen. Das Basismaterial wird dann mehrmals in die Suspension getaucht und zwischendurch getrocknet, um eine ausreichende Dicke der Graphitschicht zu erzielen. Dies ist ein sehr umständliches und sicherlich auch nur schwierig zu reproduzierendes Verfahren. Allen bekannten Dehnmeßstreifen haftet außerdem der Nachteil an, daß sich ihre Empfindlichkeit nicht wesentlich über den /f-Faktor zwei steigern läßt Des weiteren ist ihre mäanderförmige Gestaltung fest vorgegeben, weil nur auf-diese Art ein höherer Widerstandswert erzeugt werden kann. Wird der Widerstand auf das Basismaterial aufgedampft, sind entweder spezielle Masken anzufertigen oder spezielle Photomaskier- und Ätzprozesse durchzuführen.Strain gauges have long been known and in the Literature has already been described in detail. In F. X. Eder, Modern Measurement Methods in Physics, VEB Verlag der Wissenschaften, Berlin 1968, part 1, page 329 it is proposed to produce strain gauges from the thinnest manganine wire, which meanders between thin paper is glued as the base material. It is also proposed on an acrylic or phenyl resin base embed a measuring wire made of constants. As explained in detail in this reference, the sensitivity of the strain gauge is determined by the so-called K-factor. With the usual With strain gauges, the K-factor is on the order of two. Furthermore, it is already known to take place Gluing measuring wires to the base material, evaporating thin metal films onto a base material (DE-OS 27 41 055). From US-PS 24 92 429 it is known to produce a strain gauge graphite as Resistance material on an elastic plastic base material to be applied, the thickness of the graphite layer only due to the electrical power to be achieved Resistance is defined. In order to apply the graphite to the base material, it is in a liquid suspended, which is able to loosen the flexible plastic material, in order to adhere in this way To achieve graphite on the base material. The base material is then dipped into the suspension several times and dried in between to achieve a sufficient thickness of the graphite layer. This is a very cumbersome one and certainly a process that is difficult to reproduce. All known strain gauges there is also the disadvantage that their sensitivity is not significantly higher than the / f factor of two Furthermore, its meander-like design is fixed, because only in this way can it be higher Resistance value can be generated. If the resistor is vapor-deposited onto the base material, either to make special masks or to carry out special photo masking and etching processes. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Dehnmeßstreifen der genannten Gattung weiterzubilden, bei dem die Widerstandsschicht in einem einzigenThe object of the present invention is to develop a strain gauge of the type mentioned, in which the resistive layer in a single ίο Arbeitsgang in der erforderlichen Dicke vorzugsweise hn Siebdruckverfahren in einfacher Weise auf das Basismaterial aufgebracht werden kann, und der ii-Werte aufweist, die zwischen 4 und 10 liegen und der damit eine wesentlich höhere Empfindlichkeit aufweist, als sie bisher bekannt ist, so daß sich nachgeschaltete Meßeinrichtungen stark vereinfachen oder die Auflösung der Messung gesteigert werden kann.ίο Work step in the required thickness preferably hn screen printing process can be applied to the base material in a simple manner, and the ii values has, which are between 4 and 10 and thus has a much higher sensitivity than them is known so far, so that downstream measuring devices greatly simplify or the resolution of the Measurement can be increased. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.This problem is solved with the characterizing features of claim 1. Dehnmeßstreifen, die mit der angegebenen Dickschichtpaste hergestellt sind, zeigen sehr hohe K-Werte und dazu nur eine geringe Temperaturabhängigkeit des Widerstands, und es wird eine ausgezeichnete Haftung auf nahezu jedem Untergrund erzielt Durch Variation der Zusammensetzung der Paste und ihrer geometrischen Abmessungen auf dem Basismateri; 1 ist eine große Widerstandsvariation möglich. Aufgrund der größeren Schichtdicke spielen auch Unterschiede der Oberflächenrauhigkeit des Basismaterials keine Rolle, die sich insbesondere bei Dehnmeßstreifen mit aufgedampfter leitender Schicht nachteilig bemerkbar macht. Widerstände der zuvor genannten Art sind zudem leicht auf die verschiedenste Weise kontaktierbar.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Dickschichtpaste auf einfache Art und Weise mittels Siebdruck auf das Basismaterial aufbringbar ist Ist die Dickschichtpaste aufgebracht, kann sie getrocknet, gebrannt und gehärtet werden. Der fertige Dehnmeßstreifen ist dann durch Ritzen mittels Laser oder durch Sandstrahlen abgleichbar.
Strain gauges made with the specified thick-film paste show very high K values and, in addition, only a low temperature dependence of the resistance, and excellent adhesion is achieved on almost any surface. By varying the composition of the paste and its geometric dimensions on the base material; 1 a large resistance variation is possible. As a result of the greater layer thickness, differences in the surface roughness of the base material do not play a role, which is particularly noticeable in the case of strain gauges with a vapor-deposited conductive layer. Resistors of the aforementioned type can also easily be contacted in the most varied of ways.
It is also advantageous that the thick-film paste can be applied to the base material in a simple manner by means of screen printing. Once the thick-film paste has been applied, it can be dried, burned and hardened. The finished strain gauge can then be calibrated by scratching with a laser or by sandblasting.
Die Dickschichtpaste wird auf ein Basismaterial, das beispielsweise ein Kunststoff oder ein Metall wie Federstahl oder Federbronze mit Zwischenisolierung ist, aufgebracht Das Aufbringen erfolgt üblicherweise im Siebdruckverfahren. Möglich ist es auch, die Dickschichtpaste aufzustempeln, zu walzen oder zu sprühen. Die aufzubringende Dickschichtpaste setzt sich aus einem organischen Trägermaterial zur Vermittlung von Haftung und innerem Zusammenhalt, aus einer Pigmentierung mit elektrisch leitfähigen Pi/tikeln und aus ei-η em Stellmittel zur Einstellung der Viskosität zusammen. Je nach Aufgabe und Anwendung sind diese drei Bestandteile beliebig miteinander kombinierbar, um gute Verarbeitbarkeit der Paste und eine gute Haftung auf dem entsprechenden Basismaterial und eine geeignete Leitfähigkeit des Meßwiderstandes zu erhalten. Versuche haben ergeben, daß als organisches Trägermaterial Isophthalsäure mit Styrol, zur Pigmentierung gemahlener Graphit und Silber mit einer Partikelgröße von etwa 1 Mikrometer und als Stellmittel zur Einstellung derThe thick film paste is applied to a base material, for example a plastic or a metal such as spring steel or spring bronze with intermediate insulation is applied Screen printing process. It is also possible to stamp, roll or spray the thick film paste. The thick-film paste to be applied consists of an organic carrier material to impart Adhesion and internal cohesion, from a pigmentation with electrically conductive particles and from ei-η em adjusting agent to adjust the viscosity. Depending on the task and application, these are three Ingredients can be combined with one another in order to ensure that the paste is easy to process and that it adheres well the corresponding base material and a suitable conductivity of the measuring resistor. try have shown that the organic carrier material is isophthalic acid with styrene, ground for pigmentation Graphite and silver with a particle size of about 1 micrometer and as an adjusting agent for adjusting the so Viskosität a-Terpineo! und Äthylcellulose mit Benzylalkohol zu verwenden ist. Die Zusammensetzung der Stoffe richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck. Versuche haben gezeigt, daß besonders gute Ergebnisse dann erzielt werder. wenn 25 bis 48 Gewichtsprozente Isophthalsäure mit ca. 20% Styrol als organische Grundsubstanz verwendet werden. Zur Pigmentierung mit elektrisch leitfähigen Partikeln eignet sich besonders gemahlener Graphit und Silber, je nach erfor-so viscosity a-terpineo! and ethyl cellulose with benzyl alcohol is to be used. The composition of the substances depends on the intended use. Tests have shown that particularly good results are then achieved. when 25 to 48 percent by weight Isophthalic acid with approx. 20% styrene can be used as the basic organic substance. For pigmentation with electrically conductive particles, ground graphite and silver are particularly suitable, depending on the
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