DE2940441A1

DE2940441A1 - Druck-messvorrichtung unter verwendung eines mit elektrischen widerstaenden versehenen dehnungsmessers

Info

Publication number: DE2940441A1
Application number: DE19792940441
Authority: DE
Inventors: Maria Prudenziati
Original assignee: Magneti Marelli SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1980-04-24
Also published as: PT70292A; NL7907294A; GB2036424B; GB2036424A; FR2438829A1; ES492940A0; US4311980A; CH638045A5; FR2438829B1; ES8103375A1; ES484967A0; ES8206025A1

Description

Fabbrica Italiana Magneti Marelli S.p.A._t Via Guastalla 2, Milano

Druck-Messvorrichtung unter Verwendung eines mit elektrischen Widerständen versehenen Dehnungsmessers.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmessvorrichtung, welche mittels eines mit Widerständen versehenen Dehnungsmessers arbeitet, insbesondere einer solchen Gattung von Dehnungsmessern, bei denen der zu messende Druck mittels eines verformbaren Substrates erfaßt wird, auf dem ein Widerstandsdehnungsmesser und eine elektrische Schaltung vorgesehen ist, welche die Widerstandsänderungen der Widerstände aufgrund der Verformung des Substrats ermittelte

In den vorgenannten Geräten bewirkt die aufgrund eines Druckes oder einer auf das Substrat wirkenden Spannung eintretende Verformung eine Änderung der Abmessungen der Widerstände, was zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften und damit der Größe der elektrischen Widerstände führt.

Diese Änderung wird über eine elektrische oder elektronische Schaltung erfaßt, an welche die Widerstände angeschlossen sind, so daß der Verformung des Substrats und damit dem Druck proportionale Signale gegeben werden.

Die bisher zum Messen von Druck und Verformung benützten Geräte verwenden als Dehnungsmesser Metalldrähte, endlose metallische Filme, nichtkontinuierliche Metallfilme, Metallkeramik und Halbleiter.

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Die Erscheinung der elektrischen Widerstandsveränderungen bei solchen Elementen aufgrund einer Verformung ist unter der Bezeichnung Elasto- oder Piezo-Widerstand bekannt.

Ein idealer Dehnungsmesser müßte offensichtlich einen beträchtlichen Piezoeffekt zusammen mit einem geringen thermischen Effekt zeigen«. Insbesondere müßte er für den ersten Effekt, nämlich das Ansprechen auf Verformungen, einen großen Gauge-Faktor GF aufweisen, der durch die Bezeichnung GF « R-Ro gegeben ist, wobei Ro bzw. R jeweils die

^Ro

Größe des Widerstandes in nichtverformtem bzw_o in verformten! Zustande bedeuten und ^T= /^ 1 die relative Dehung des Elements selbst darstellt» Bezüglich des zweiten Effektes, der ein Maß der Temperaturstabilität ist, sollten niedrige Werte sowohl des Temperatur— koeffizienten des Widerstands TCR - Z^ R ( wobei /^ R die r«üLa-

ΊΓΖΤ S tive Änderung des Widerstands für eine Temperaturänderung Δ Τ ist)

als auch des Temperaturkoeffizienten des Gauge-Faktors TCGF ■ Δ GF (wobei A. GF die relative Änderung von GF für eine Temperatur—

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änderung <Δ T ist) vorliegen,.

Die Leistung der bekannten Dehnungsmesser ist im allgemeinen stark von der Ausbildung und Zusammensetzung der zur Verwendung gebrachten Widerstände abhängig.

In der nachfolgenden Tabelle sind mit Bezugnahme auf die herkömmrlichen Dehnungsmesser der vorgenannten Gattung die Werte der bedeutsamsten Koeffizienten angegeben.

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Tabelle

Elemente	GF	20	1	TCR ppm/ C	TCGP ppm/	⁰C	zeitliche Stabilität
Metalldrähte	2-5	20	1	- 4000	20 -	100	ausgezeichnet
kontinuierli che Metallfil- me	2-5	400	- 4000	20 -	100	gute
nichtkonti nuierliche Metallfilme	100	.000	-		schlecht
Metallkeramik	100	.000			schwache
Halbleiter	4-0 - 175	- 9000	200 -	5000	gute

Die Vergleichsanalyse der Eignungen zeigt, daß die nichtkontinuierlichen Metallfilme und die Metallkeramik keine weitreichenden Verwendungssektoren aufgrund der ungenügenden Stabilität der elektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften auf die Dauer finden können. Die Drähte und die kontinuierlichen Metallfilme können in denjenigen Fällen Verwendung finden, in welchen das Ansprechen auf die Deformation (GF) keine kritische Eigenschaft ist und eine geringe Abhängigkeit von thermischen Einflüssen (niedrige TCR und TCGF) gefordert wird, während Halbleiter aufgrund ihres hohen Ansprechvermögens auf Verformung eingesetzt werden, auch wenn es aufgund der hohen TCR- und TCGF-Werte oft komplizierter und aufwendiger Techniken zur Kompensation der thermischen Einflüsse bedarf„

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Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung von Dehnungsmessern mit Metallfilm und Halbleiter liegt darin, eine gute Verbindung zwischen dem Substrat und dem Dehnungsmesser zu schaffen,, Beide sollten nämlich den gleichen linearen Dehnungskoeffizienten aufweisen, um nicht durch mechanische Einflüsse bedingte Verformungen zu vermeiden, wie sie durch Temperaturänderungen dann verursacht werden, wenn das Substrat und der Dehnungsmesser unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen«»

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Druckmessers, in welchem der Dehnungsmesser Widerstände mit hoher Ansprechempfindlichkeit auf Verformung aufweist, eine hohe Stabilität gegenüber Temperatur besitzt und eine einwandfreie thermische und mechanische Anpassung zwischen Widerständen und Substrat gewährleistete

Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Aufgaben bei Verwendung eines Dehnungsmessers erfüllt, welcher einen oder mehrere Widerstände aufweist, die aus in dicker Schicht mittels Siebdruck auf ein geeignetes Substrat aufgetragenem Film bestehen.

Die Erfindung wird im nachfolgenden lediglich beispielsweise anhand der nachstehenden Figuren näher erläutert·

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung;

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Fig. 2 veranschaulicht im Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dehnungsmessers gemäß der Erfindung;

Fig. 3 stellt eine Aufsicht auf den Dehnungsmesser gemäß Fig. 2 dar;

Figo 4 zeigt eine Schaltung (Wheatstone-Brücke) zur Messung des auf das Substrat aufgebrachten Druckes;

Fig. 5 veranschaulicht eine der Figo 2 ähnliche abgewandelte Ausführung.

Bezugnehmend auf die Figo 1 ist mit 1 ein geeignetes Substrat, beispielsweise aus Keramik gezeigt, auf dessen eine Seite am freien Ende eine Kraft F wirkt, deren Größe festgestellt werden soll.

Erfindungsgemäß weist der aus Widerständen auf einem Substrat bestehende Dehnungsmesser dicke Filme R^, R, bzw_o R₂» R^. auf, wobei je ein Widerstandspaar auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats in der Nähe der Befestigungseteile mittels Siebdrucktechnik, also Druck und Brennen aufgebracht wirdo

Es wird bemerkt, daß die Widerstände R_-. und R, auf die obere Seite des Substrate aufgebracht sind, während die Widerstände Rp und R* auf die Unterseite (nicht sichtbar) unterhalb der Widerstände R_-. und R, aufgetragen sind.

Aufgrund der Wirkung der Kraft F erfährt das Substrat eine Verfor-

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wing (Dehnung) nach unten_o Diese Verformung wird auf die Widerstände E-, B, und Rp, H₁, übertragen, welche dadurch die Größe ihres Widerstands verändern«

Insbesondere wächst der Widerstand der Widerstände R. und It., weil diese unter Zugspannung stehen, während der elektrische Widerstand der Widerstände Sp und B^ sinkt, weil diese unter Druckeinwirkung stehen·

Ua die Widerstandsänderung der Widerstände aufgrund der Verformung su »essen, um dadurch den Wert der Kraft F zu ermitteln, werden die genannten Widerstände R₄., H, und R~, R^ als Wheatstone—Brücke geschaltet, wie in Fig. 4- gezeigt ist« Die der gleichen Art der Verformung unterliegenden Widerstände sind den gegenständigen Zweigen zugeordnet und die nach oben oder nach unten gerichteten Pfeile zeigen die Veränderung der Größen der Widerstände an, je nachdem, ob diese zu- oder abnehmen.

Die Größe der Widerstände R,., R, und R₂* R^ ist gleich, so daß bei ausbleibender Verformung (F-O) des Substrats 1 die Brücke ausgeglichen ist und kein Signal am Ausgang Vu Torliegt, während eine Spannung am Eingang Vi anliegt.

Wirkt am Substrat 1 eine Kraft (F / 0), so wird das Brückengleich«- gewicht gestört und es ergibt sich ein Signal am Ausgang Vu, dessen Größe proportional zur Größenordnung des elektrischen Widerstands

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der Widerstände und damit zur Verformung des Substrats 1 ist, also der GrSBe der Kraft F entspricht „

Im Torhergehenden hatte der Dehnungsmesser die Form eines an einer Seite befestigten Streifens oder Balkens, doch ist es offensichtlich, da£ das oben dargelegte auch for den Fall eines beidseitig heiterten Streifens oder Balkens gilt, der einer an der lütte «wischen den eingespannten Boden angreifenden Kraft ausgesetzt ist·

In der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 besitzt das Substrat die Form einer runden membrane 1*, welche entlang ihres gesamten Randes gehaltert ist, wahrend die Kraft F* im Zentrum angreift. Anstatt einer konzentrierten Kraft kann die Membrane einem auf ihre gea am ten Oberfläche verteiltem Druck ausgesetzt werden. Bei dieser Aue— führung sind die widerstände H* ^ und B". im Z der Membrane angeordnet und stehen unter Zugspannung, wahrend die widerstände B* und R** ebenfalls auf der gleichen Seite, jedoch an der Peripherie der Membrane angeordnet und einem Druck ausgesetzt sind·

Me peripherische Anordnung von R^f ^ und R"., kann beliebig aatn, beispielsweise um 90° zueinander versetzt, wie dies in Fig. 3

zeigt ist.

Me Widerstände M^f ₂» R**. konnten auch an der anderen Seite des Substrats, im Zentrum, angeordnet sein, wie dies bei den Widerständen R*2 der Fall ist, die in der Flg. 5 dargestellt sind.

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Gemäß der Angriffsrichtung der Kraft F¹^₁ "rerandert sieb die Große des elektrischen Widerstandes der Widerstände R¹^₉ ^H'x ^{nncl H}'p» ^R* wie derjenige der entsprechenden Widerstände R_-., R, und Bp, R* der FIg. 1.

Sowohl im Falle der Ausf ühmmig gemäß Jig. 1 vie «ach bei den Ausführungen gemäß den Fig. 2 and 5 kenn die Anzahl und. Anordnung der Widerstände geändert werden, ms unter den gegebenen !Testenden eine Hochstwirksamkeit in Bezug auf das Ansprechen auf Verformung tu. er»~ zielen. So werden die Widerstände in der Regel an den Stellen gxo8— ter Verformung des Substrats angeordnet.

Bei am Rand befestigter Membrane kann es Torteilhaft sein., sämtliciie Widerstände in zentraler Lage anzuordnen, wie in Ffg» 5 gezeigt 1st, um die größte Ansprechfähigkeit des Systems auch in dem Falle xu. einhalten, daß die Membrane nicht einwandfrei am Rand eingespannt sein sollte»

In eier Torangehenden Beschreibung wurde auf die Kräfte F und F^f Bezrrg genommen, welche en einer Seite en die Substrate 1 und. Ί^ enge— legt vrarclen, dech ist es klar, daß dies· Kräfte mach. &±€ Resultante erntgeeingerichteter Kräfte sein können, welche am beide Seiten de» ßtibstrats angreifen, so daß ianni dsm Tern, der Wmertstone— Brücke g»*·· lieferte Signal sich atrf die Mffereni der Drucke oder Zugkräfte bezieht.

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Der wirksame Teil des Dehnungsmessers besteht, wie erwähnt, aus Schichtwiderständen, die mittels des Siebdruckverfahrens auf Substraten aufgetragen wurden und die nach den an sich bekannten Terfahren gebrannt werden, wie sie bei Schichtwiderständen in der Mikroelektronik bei Hybridschaltungen gängig sind« Sie mit Siebdruck verarbeitbaren Pasten, welche Dickfilmwimmrstände mit geeigneter .Ansprechempfindlichkeit auf Verformungen zu erzielen gestatten, sind zahlreich.

Sie bestehen meistens aus einer dielektrischen und einer leitenden Komponente· Die dielektrische Komponente oder Matrixe kann aus einem Glas aus der Gruppe der Borsilikate, Aluminiumeilikate oder Bleisilikate mit gegebenenfalls kleinem Zusatz von Oxyden der Gattung CdO, Ga₂Ox, Al₂Ox usw. bestehen.

Die leitende Komponente kann aus Edelmetall (Ag, Au, Pd) oder dessen Oxyd bestehen oder aus Mischungen (beispielsweise PdO, PdO/Ag) oder einem leitenden Metalloxyd eines Nichtedelmetalls, z.B. BuOpt

n, Bb₂Bu₂Og, TlO , I_xP₂ etc.

£e wurden die Piesowiderstandseigenschaften der mittels Pasten verschiedenartiger Zusammenstellungsformeln hergestellten Widerstände gemessen und es wurde gefunden, daß je geringer die Konzentration an Leitern in der Paste ist, umso größer der elektrische Widerstand und der Gauge—Faktor der Widerstände des Dehnungsmessers ist.

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Die Widerstände mit starkem dickem Film weisen gute Gauge-Faktoren auf, beispielsweise GF=1O-15» niedrige Temperaturkoeffizienten des Widerstands TCR^ 30-200 ppm/°C und niedrige Temperaturkoeffizienten des Gauge-Faktors TCGFr=? 100-400 ppm/°C bei ausgezeichneter Stabilität und geringer Ermüdungsneigung selbst nach sehr zahlreichen Verformungszyklen.

Die Ansprechfähigkeit auf Verformung (GF) liegt daher zwischen derjenigen der Dehnungsmesser mit Metalldrähten, welche die kleinste ist, und derjenigen der Dehnungsmesser mit Halbleitern, welche die größte ist.

Außerdem ist die Temperaturstabilität (TCR, TCGF) mit derjenigen der Metalldrähte verhleichbar, welche die widerstandsfähigsten sind und entschieden besser als diejenige der Halbleiter^,

Ein Vorteil in der Verwendung der Siebdruckwiderstände besteht darin, daß diese einen positiven Gauge-Faktor sowohl für Querverfor— mungen als auch für Längsverformungen des Widerstands besitzen_o Daraus ergibt sich, daß die im Zentrum der Membrane angeordneten Widerstände eines Membranendruckmessers (Figo 2, 5) gleichzeitig einer Quer- und Längsverformung ausgesetzt sind, so daß sich ihre Ansprechfähigkeit bei Verformung verdoppelt.

Die Dehnungsmesser können unter Anordnung der Widerstände auf verschiedenen Substraten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaf—

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ten aufgebaut werden_o Verschiedene Keramiksorten, ζ.B₀ auf der Grundlage von Tonerde, Berilliumoxyd, Zirkonoxyd, sowie emaillierte Metallfolien eignen sich gut für diesen Zwecke

Im nachfolgenden werden nun einige Eigenschaften der erfindungsgemäßen Dehnungs- bzw. Druckmesser genannt.

Bei Anwendung des Hebelmodells gemäß Fig. 1 wird mit einer Kraft, welche in den vier als Brücke geschalteten Widerständen eine Höchstverformung von 2000 ümm/mm hervorruft, ein Ausgangssignal Vu von 25-30 mV/V erhalten, wenn Widerstände auf der Basis von Borsilikat und Bi₂Ru₂O₇ mit einem Schichtwiderstand von 1OK-Π/ρ verwendet

Bei Anlagen eines entsprechenden Drucks an die Membranen gemäß den Fig. 2 und 5 erfahren die Ränder der Membrane eine Verformung von 2000 ^mm/mm. Mittels der vier als Brücke geschalteten Widerstände ergibt sich ein Ausgangssignal von 25-30 mV/Vo Widerstände aus Borosilikat—Glas und BipRUpO^ weisen einen Schichtwiderstand von 10 X Jl/ο auf. Die bedeutendsten Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im nachfolgenden zusammengefaßte

Es erübrigen sich Klebemittel zwischen dem Dehnungsmesserelement und dem Streifen bzw. der Membrane, da der spannungs— oder druck— abhängige Widerstand unmittelbar mittels ßiebdruckbeschichtung auf dem Substrat aufgebracht ist, wobei das Substrat als Balken, Biege— streifen oder Membrane diente

Außerdem kann eine geeignete Anpassung der Dehnungskoeffizienten der

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Substrate und der siebdruckartig ausgebildeten Widerstände vorgenommen werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit einer gewissen Eintrimmung der Größe der mittels Siebdruck aufgetragenen und einem Brennvorgang unterworfenen Widerstände oder eventueller Kompensationswider— stände, welche mittels der gleichen Technik hergestellt sind und unverformt parallel oder in Serie zu einem der Zweige der Brücke geschaltet sind, indem Laserstrahlung oder ein Sandstrahl eingesetzt werden, um die Spannung Null am Ausgang der Wheat st one—Brücke bei NichtVorhandensein von Verformungen oder Druck am Substrat zu gewährleisten.

Bei Nichtvorhandensein von Spannung oder Druck lassen sich am Bpückenauegang leicht Ausgangssignale von ^ 100 jx.V/V erzielen·

Es besteht ferner die Möglichkeit der Bildung von Brücken mit Eingangs- und Ausgangs-Impedanzen, die einen weiten Wertbereich überdecken, wenn die Geometrie und die Schichtwiderstaände entsprechend gewählt werden»

Die Herstellungstechnologie der Dehnungsmesser, die derjenigen der Hybridschaltungen für die Mikroelektronik ähnlich ist, ist ziemlich einfach und wirtschaftlich und daher auch für eine Massenherstellung geeignet.

Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Druckmessvorrichtungen

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können überall Anwendung finden, wo es auf hohe Empfindlichkeit und ausgezeichnete Stabilität ankommt. Sie können daher insbesondere in der Automobilbranche zur Kontrolle der Einspritzung, der Zündung, Frühzündung, sowie für die hydraulischen Zontrollen ein« gesetzt werden.

Es wurde auf eine Druckmessvorrichtung im vorstehenden Bezug genommen, doch ist es offensichtlich, daß die Erfindung sich auch auf Dehnungsmesser erstreckt, welche Widerstände mit dicken Filmen zum Messen und zur Kontrolle physikalischer Grossen verwenden, ZoBo um Spannungen, Drücke, Kräfte, Drehmomente oder dergl. zu erfassen.

Abwandlungen gegenüber den dargestellten Ausführungen sind natürlich je nach den praktischen Erfordernissen möglich, ohne daß dabei der Erfindungsbereich verlassen wird.

Ansprüche

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L e e r s e i t e

Claims

Ansprüche

1β Druckmessvorrichtung, bei der der zu messende Druck auf ein verformbares Substrat wirkt, auf welchem ein Widerstandsdehnungsmesser aufgebracht ist und die eine elektrische Schaltung zur Erfassung der Größenänderung der Widerstände entspreckend der Verformung des Substrats aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmesser aus Widerständen (R*, Ro» Ri» R/iJ R'-p R'p« ^¹*» R¹^) mit starken Filmdicken besteht, welche mittels eines Siebdruckverfahrens auf dem Substrat (1) aufgebracht sind.

2. Druckmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände großer Filmdicken auf einer oder beiden Seiten des Substrats an auf die Verformung ansprechenden Stellen angebracht sindo

3· Druckmessvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) die Form eines einseitig eingespannten Streifens oder Balkens hat, und daß ein Widerstands— paar (R_-., R,) auf der einen Fläche des Substrats (1) in der Nähe dieser Einspannstelle angeordnet ist, während ein weiteres Paar von Widerständen (Rp, R^) auf der anderen, entgegengesetzten Seite vorgesehen ist (Figo 1)o

Druckmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnete daß das Substrat die Form einer an ihrem Rand eingespannten

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Membrane (1·) aufweist und daß ein Widerstandspaar (R¹.., ^Β'Ο in der mittleren Zone der Membrane vorgesehen ist, während sieh die Widerstände (R¹ ₂, R¹^) eines anderen P_aares am Randbereich der Membrane befinden« (Figo 2 und 3)·

5· Druckmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat die Form einer an den Rand eingespannten Membrane (1¹) besitzt, und daß ein Paar von Widerständen R¹^, H¹,) an der einen Oberfläche der Membrane (1·) im zentralen Bereich derselben angebracht ist, während ein weiteres Paar von Wider«« ständen (R¹ ₂, R¹^) auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Membrane (1·) verläuft» (Figo 5)ο

6. Druckmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickfilmwiderstände aus im Sieb— druckverfahren verarbeitbaren Paste bestehen und als grundlegende Bestandteile eines oder mehrere der folgenden Bestandteile enthalten: RuO₂, I_r0₂, TlO₂, Bi₂Ru₂Or,, Pb₂Ru₃Or₇, Au, Pt, Pd und deren Legierungen, die sich in einer dielektrischen Matrix, z.B_o Borsilikatglas, Aluminiumsilikat, Bleiborsilikat, Bleisilikat oder derglo befinden.

7· Druckmessvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus keramischem Material besteht«»

Dehnungsmesser mit Widerständen, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände aus gebrannten im Siebdruck aufgetragenen Pasten bestehen.

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