DE2916425A1 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dehnungsmeßstreifen, bei dem eine gemusterte Widerstandsschicht
auf einen dünnen Kunststoffträger aufgebracht ist.
Ein derartiger Dehnungsmeßstreifen ist aus Christoph Rohrbach: »Handbuch für elektrisches Messen
mechanischer Größen« (1967) bekannt. Dort ist auf eine Kunststoffolie eine gemusterte Metallfolie aufgeklebt,
wobei der Dehnungsmeßstreifen aus einer Metallfolie herausgearbeitet ist. Ein derartiger Aufbau erfordert
einen erheblichen Aufwand beim Abgleich des Dehnungsmeßstreifens, da die zum Aufkleben der Metallfolie
erforderliche Kleberschicht u. a. aufgrund der Unebenheiten der Metallfolie relativ dick sein muß und
damit zu nicht vorherbestimmbaren Einflüssen des Klebers auf die Übertragung der Dehnung von der
Feder auf den Dehnungsmeßstreifen führt. Der Abgleich eines derartigen Dehnungsmeßstreifens muß
auf der Feder erfolgen. Dabei können die spezifischen Daten des Dehnungsmeßstreifens nicht mehr einwandfrei
bestimmt werden, da die sehr geringen Widerstandsänderungen, die für die Messung der Dehnung
ausgewertet werden sollen, durch Einflüsse der Feder, der umgebenden Atmosphäre und der Kunststoffschicht
zu sehr verfälscht werden. Demgemäß kann nach dem Stand der Technik nur in Verbindung mit der
Auswertungsschaltung ein Funktionsabgleich am Einzelexemplar erfolgen.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht bei einem Dehnungsmeßstreifen
der eingangs beschriebenen Art darin, daß ein serienmäßig mit hoher Genauigkeit herstellbarer
Dehnungsmeßstreifen angegeben wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
a) eine dünne, nicht selbsttragende Widerstandsschicht mit einer Kunststoffolie stoffschlüssig
verbunden ist und daß
b) die Widerstandsschicht von einer gemusterten Kontaktschicht überlappt wird und mit dieser
stoffschlüssig verbunden ist.
Eine Widerstandsschicht, die ohne eine Kleberschicht mit einer Kunststoffolie stoffschlüssig verbunden ist,
läßt sich beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern von Metall auf eine Kunststoffolie herstellen.
Eine derartige Schicht hat den Vorteil, daß keine Kleberschicht zwischen der Kunststoffolie und der
Widerstandsschicht vorhanden ist. Zum Aufkleben auf ein Werkstück kann eine dünne gleichmäßig auf die
Kunststoffolie aufgetragene Kleberschic'it dienen. Während diese unmittelbar mit dem relativ starren
Meßobjekt verbunden ist, kann eine Kleberschicht, die zwischen der Widerstandsschicht und der Kunststoffolie
angebracht ist, das Meßergebnis beeinflussen. Metallfolien, die nach dem Stand der Technik als Dehnungsmeßstreifen
eingesetzt werden, ergeben eine Verformung
ORfGINAL INSPECTED
der isolierenden Zwischenlagen infolge der hohen erforderlichen Dehnungskräfte. Dünne Metallschichten
der hier vorgeschlagenen Art benötigen dagegen nur geringe Dehnungskräfte. Die Kunststoffolie wird durch
die dünne Metallschicht nicht verformt. Die Dehnungsmeßstreifen der vorgeschlagenen Art können in Serie
im Bandverfahren hergestellt werden. Vor dem Aufkleben können die Dehnungsmeßstreifen-spezifischen
Daten ermittelt und ggf. auf das Meßobjekt abgeglichen werden. Die Kontaktierung ist durch die
vorgeschlagene Kontaktschicht, welche die Widerstandsschicht überlappt, einwandfrei durch Stoffschluß
gewährleistet
Vorteilhaft besteht die Widerstandsschicht aus Chrom—Nickel und die Kontaktschicht aus Kupfer.
Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen ist über der Widerstandsschicht vorteilhaft eine
Kunststoffolie angeordnet. Dadurch kann der Dehnungsmeßstreifen ganzflächig auf den Träger aufgeklebt
werden, die Druckbelastung beim Aufkleben beschädigt die Widerstandsschicht nicht.
Um Temperatureinflüsse beim Löten von der freiliegenden Widerstandsschicht fernzuhalten, ist es
vorteilhaft, daß die Kontaktschicht Kontaktflächen und schmale Leiterbahnen bildet, welche zu den freiliegenden
Widerstandsschichten führen. Diese schmalen Leiterbahnen können relativ kurz ausgebildet sein, da
zum Löten der relativ dünnen Kontaktschichten nur eine geringe Wärmemenge erforderlich ist. Auf diese
Kontaktflächen kann vorteilhaft gelötet werden. Die Widerstandsschicht weist vorteilhaft einen hohen
Flächenwiderstand auf. Somit können relativ breite Bahnen ausgebildet v/erden. Dadurch wird der Dehnungsmeßstreifen unempfindlicher gegen geringfügige
Beschädigungen bei grober mechanischer Beanspruchung.
Um eine Verfälschung des Meßergebnisses durch eine Querkontraktion des Dehnungsmeßstreifens infolge der
zu messenden mechanischen Spannung zu verringern, ist quer über die Widerstandsschicht zumindest ein
schmaler Streifen der Kontaktschicht gelegt. Dieser Streifen vermindert durch seine mechanische Festigkeit
eine Querkontraktion, da er in Richtung der zu messenden Dehnung nur eine sehr geringe Ausdehnung
aufweist, so daß er die Dehnung nur teilweise mitmacht.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Dehnungsmeßstreifens ist ein Verfahren mit den Merkmalen
vorteilhaft, daß
a) auf eine als Kontaktschicht vorgesehene Metallfolie eine Widerstandsschicht aufgebracht wird, daß
b) die Widerstandsschicht thermisch stabilisiert wird, daß
c) auf die Widerstandsschicht dann eine Kunststoffolie ganzflächig aufkaschiert wird und daß
d) schließlich in der Kontaktschicht und der Widerstandsschicht durch ein selektives Ätzen die
benötigten Muster erzeugt werden.
Die Kunststoffolie bzw. Kleber braucht hierbei keine für den Vorgang der Stabilisierung ausreichende
Temperaturfestigkeit aufzuweisen.
Als selektives Ätzen wird ein Verfahren verstanden, in welchem zunächst in beide Schichten ein deckungsgleiches
Muster eingeätzt wird und in welchem dann weitere Teile der obenliegenden Schicht weggeätzt
werden. Dies läßt sich beispielsweise bei der Verwendung von Chrom—Nickel als Material für die
Widerstandsschicht und von Kupfer als Material für die Kontaktfolie vorteilhaft durchführen.
Ebenfalls vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung eines vorgeschlagenen Dehnungsmeßstreifens, bei dem
auf
a) eine Kunststoffolie zunächst eine Widerstandsschicht aufgedampft oder aufgestäubt, dann
b) eine Kontaktschicht aus Metall stoffschlüssig aufgebracht wird,
c) dann in der Kontaktschicht und in der Widerstandsschicht durch selektives Ätzen die erforderlichen
Muster erzeugt werden und
d) schließlich die Widerstandsschicht thermisch stabilisiert wird.
Als Kunststoffolie eignet sich insbesondere Polyimid, welches die für die Stabilisierung der Chrom-Nickel-Schicht
erforderliche Temperatur von mindestens ca. 2000C einwandfrei übersteht.
Während die Dehnungsmeßstreifen aus Metallfolien auf einen mit Zellulosefaser-Einlage versehenen Acrylharzträger
mittels dicker, relativ harter Kleberschichten aufgeklebt sind, damit die hohen Dehnungskräfte auf
den Dehnungsmeßstreifen übertragen werden können, genügt bei den erfindungsgemäßen dünnen Metallisierungen
eine Kunststoffolie als Träger. Dadurch sind diese Dehnungsmeßstreifen für wesentlich geringere
Meßkräfte einsetzbar und können für eine erhöhte Empfindlichkeit dimensioniert werden. Die Empfindlichkeit
kann über die Schichtdicke eingestellt werden.
Die Schichtdicke der Widerstandsschicht ist nach unten hin grundsätzlich nicht begrenzt, da sie nicht
selbsttragend sein soll, d. h. daß sie so dünn ist, daß ihre Festigkeit für eine Verarbeitung in Form einer Folie
nicht mehr ausreicht. Eine derartige Schicht kann vorteilhaft auf eine Kunststoffschicht aufgebracht
werden, indem auf eine Kupferfolie eine Chrom-Nickel-Schicht aufgedampft oder aufgesputtert wird und indem
auf diese Chrom-Nickel-Schicht die Kunststoffolie im Bandverfahren mittels einer dünnen Kleberschicht
aufgeklebt wird. Im Bandverfahren lassen sich Kleberschichten so dünn und gleichmäßig auftragen, daß sie
keine störende Meßbeeinflussung hervorrufen. Im Bandverfahren lassen sich auch die beschriebenen
dünnen Metallfolien, insbesondere duktile Kupferfolien, so glatt auf eine Kunststoffolie aufkaschieren, daß eine
ganzflächige Verklebung ohne Bildung von störenden Anhäufungen von Kleber erreicht wird.
Wird die Widerstandsschicht auf eine Kunststoffolie aufgedampft oder aufgestäubt, so wird zweckmäßigerweise
auch die Kontaktschicht im selben Vakuum auf die Widerstandsschicht aufgedampft oder aufgestäubt
und anschließend galvanisch verstärkt.
Eine gut realisierbare Widerstandsschicht wird durch eine Chrom-Nickel-Schicht von 200 Ä Dicke erreicht.
Als Kontaktschicht wird vorteilhaft eine 2000 Ä dicke Kupferschicht aufgedampft bzw. aufgestäubt und diese
Kupferschicht anschließend auf ca. 3 bis 5 μηι galvanisch
verstärkt.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren kann beispielsweise ein Flächenwiderstand von 100 Ohm D
hergestellt werden. Dabei kann die Streuung des K-Faktors, der die Widerstandsänderung pro Längenänderung
des Dehnungsmeßstreifens angibt, auf einem 30 m langen Band innerhalb ±10% gehalten werden.
Diese Streuung entspricht der einer Charge gleicher Eigenschaften. Aus einer derartigen Charge können
Schaltungen aus mehreren Dehnungsmeßstreifen mit der erforderlichen Genauigkeit gebildet werden, z. B.
eine Zusammenschaltung von vier Dehnungsmeßstreifen zu einer Vollmeßbrücke. Auch das Driftverhalten,
die zeitliche und temperaturabhängige Änderung der Widerstandes ist innerhalb eines Bandes der beschriebenen
Art weitgehend gleich, so daß bei der Zusammenschaltung mehrerer Dehnungsmeßstreifen eine hohe
Nullpunkt-Stabilität gewährleistet ist
Die Erfindung wird anhand von drei Figuren näher erläutert. Sie ist nicht auf die in den Figuren gezeigten
Beispiele beschränkt.
Die F i g. 1 und 2 zeigen verschiedene Beispiele von erfindungsgemäßen Dehnungsmeßstreifen in geschnittener
Ansicht,
Fig.3 zeigt einen Dehnungsmeßstreifen gemäß
F i g. 2 in Draufsicht, Widerstandsschicht und Metallschicht schraffiert dargestellt
Mit einer Kunststoffolie 1 ist über eine Kleberschicht 2 eine dünne Widerstandsschicht 3 stoffschlüssig
verbunden. Auf der Widerstandsschicht 3 befinden sich Kontaktflächen 4, die aus einer mit der Widerstandsschicht
3 stoffschlüssig verbundenen Metallschicht herausgearbeitet sind. Zumindest die Widerstandsschicht
3 ist durch eine Kunststoffschicht 5 mechanisch geschützt. Die Kunststoffschicht 5 ist vorzugsweise nur
im nichtmetallisierten Randbereich 8 der Kunststoffolie 1 mit dieser stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise
verschweißt (F i g* 1).
Auf eine Kunststoffolie 1 ist eine Widerstandsschicht 6 und eine gemusterte lötfähige Metallschicht ohne
dazwischenliegende Kleberschichten aufgebracht. Die Schichten sind miteinander stoffschlüssig verbunden. Sie
sind vorzugsweise durch Aufdampfen oder Aufstäuben der Widerstandsschicht 6 und der gemusterten Metallschicht
im gleichen Vakuum entstanden. Die gemusterte Metallschicht bildet Kontaktschichten 4 und ggf.
Querstreifen 7. Sie ist wesentlich dicker als die Widerstandsschicht 6. Die Kontaktschicht 4 weist einen
schmalen Bereich 10 auf. Dieser schmale Bereich 10 verbindet die Kontaktierungszone 11, die zumindest die
Breite der Widerstandsschicht 6 besitzt mit einer Kontaktfläche 12, auf der entweder direkt Anschlußelemente
angelötet werden können oder ein Lötstützpunkt 9 angeordnet ist. Der Lötstützpunkt 9 kann beispielsweise
aufgeschweißt oder durch ein hochschmelzendes
ίο Lot aufgelötet sein. Die Kunststoffolie 1 besteht
vorzugsweise aus Polyimid, da dieser Werkstoff die hohe Temperaturbelastung beim Löten, ggf. beim
Schweißen, und bei der erforderlichen Stabilisierung der Widerstandsschicht verträgt.
Der Dehnungsmeßstreifen kann durch eine als Kunststoffschicht 5 dienende Kunststoffolie geschützt
sein, welche ihn mit Ausnahme der Kontaktflächen 12 bedecken kann. Diese Kunststoffolie ist vorzugsweise
im nichtmetallisierten Bereich 8 mit der Kunststoffolie 1 stoffschlüssig verbunden.
Der Streifen 7 ist so schmal, daß er die Dehnung des Dehnungsmeßstreifens aufgrund seiner mechanischen
Festigkeit nur geringfügig mitmacht Er vermindert daher eine Querkontraktion des Widerstandsstreifens 6.
Eine Mäandrierung analog zu herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen ist ebenfalls denkbar.
Der vorgeschlagene Dehnungsmeßstreifen kann auf ein Meßobjekt ohne besondere Schwierigkeiten ganzflächig aufgeklebt werden. Da die zur Dehnung der
Widerstandsschicht erforderliche Kraft nur sehr gering ist, tritt keine Scherung oder sonstige Verformung der
Kunststoffolie 1 auf, weiche bei herkömmlichen Dehnungsmeßstreifen einen Funktionsabgleich nach
dem Aufkleben des Streifens erforderlich macht
Claims (10)
1. Dehnungsmeßstreifen, bei dem eine gemusterte Widerstandsschicht auf einen dünnen Kunststoffträger
aufgebracht und mit Anschlußelementen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
a) eine dünne, nicht selbsttragende Widerstandsschicht (3, 6) mit einer Kunststoffolie (1)
stoffschlüssig verbunden ist und daß
b) die Widerstandsschicht (3, 6) von einer gemusterten Kontaktschicht (4) überlappt wird und
mit dieser stoffschlüssig verbunden ist.
2. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht
aus Chrom—Nickel und die Kontaktschicht aus Kupfer besteht.
3. Dehnungsmeßstreifen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über der
Widerstandsschicht eine Abdeckfolie aus Kunststoff angeordnet und mit der Kunststoffolie stoffschlüssig
verbunden ist.
4. Dehnungsmeßstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kontaktschicht Kontaktflächen und schmale Leiterbahnen bildet, welche zu den freiliegenden Widerstandsschichten
führen.
5. Dehnungsmeßstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Widerstandsschicht einen hohen Flächenwiderstand aufweist, unter Umständen mäandriert ist und relativ
breite Bahnen bildet.
6. Dehnungsmeßstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß quer über
die Widerstandsschicht zumindest ein Streifen der Kontaktschicht gelegt und ggf. galvanisch verstärkt
ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmeßstreifens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß
a) auf eine als Kontaktschicht vorgesehene Metallfolie
eine Widerstandsschicht aufgebracht wird, daß
b) die Widerstandsschicht thermisch stabilisiert wird, daß
c) auf die Widerstandsschicht dann eine Kunststoffolie ganzflächig aufkaschiert und daß
d) schließlich in der Kontaktschicht und der go
Widerstandsschicht durch ein selektives Ätzen die benötigten Muster erzeugt werden.
8. Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmeßstreifens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß
a) auf eine Kunststoffolie zunächst eine Widerstandsschicht aufgedampft oder aufgestäubt,
dann
b) eine Kontaktschicht aus Metall stoffschlüssig aufgebracht wird, daß
c) dann in der Kontaktschicht und der Widerstandsschicht durch selektives Ätzen die erforderlichen
Muster erzeugt werden, und daß
d) schließlich die Widerstandsschicht thermisch stabilisiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Kupferfolie eine Chrom-Nik-
kel-Schicht aufgedampft oder aufgestäubt und daß auf diese Chrom-Nickel-Schicht die Kunststoffolie
im Bandverfahren mittels einer sehr dünnen Kleberschicht aufgeklebt wird.
10. Dehnungsmeßstreifen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (4)
lötbar ist.
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