DE3035678A1 - Justierbarer duennschicht-beanspruchungsmesser und verfahren zur herstellung - Google Patents

Justierbarer duennschicht-beanspruchungsmesser und verfahren zur herstellung

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DE3035678A1
DE3035678A1 DE19803035678 DE3035678A DE3035678A1 DE 3035678 A1 DE3035678 A1 DE 3035678A1 DE 19803035678 DE19803035678 DE 19803035678 DE 3035678 A DE3035678 A DE 3035678A DE 3035678 A1 DE3035678 A1 DE 3035678A1
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Walter H. Malibu Calif. Eisele
Donald J. Arlington Heights Ill. Koneval
Helmut H.A. Elgin Ill. Krueger
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Description

PATENTANWALTS1
TlSCHER · KERN δ BREHM
Albert-Rosahauptor-Slrasse 65 · D 8000 München 70 · Telefon (089) 7605520 - Telex 05-212284 patad · Teiepramme Kernpatent München
GOÜLD INC., 22. Sept. 1980
10 Gould Center, GD-35
Boiling Meadows, Illinois
U. S. A.
Justierbarer Dünnschicht-Beanspruchungsmesser und Verfahren zur Herstellung
Beschreibung:
Diese Erfindung betrifft Dünnschicht-Beanspruchungsmesser und ein Verfahren zu deren Herstellung; insbesondere betrifft die Erfindung die Einstellung der Widerstandswerte solcher Beanspruchungsmeseer.
Bei Beanspruchungsmessern der beanspruchten Art verursachen mechanische Beanspruchungen, insbesondere Druck- oder Zugbelastungen eines Verformungsteils
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- li -
Widerstandsänderungen des am Verformungsteil anliegenden Widerstandselementes, so daß im Ergebnis ein elektrisches Signal erzeugt wird, das der am Verformungsteil angreifenden Kraft äquivalent ist.
Bei einer Ausführungsform eines solchen Beanspruchungemessers besteht die Meßvorrichtung aus einer Dünnschicht auf dem Verformungsteil; bei einer anderen Ausführungsform ist der Beanspruchungsmesser an das Verformungsteil gebondet.
Für diese Form der Kraftumwandlung in elektrische Signale sind eine Anzahl verschiedener Meßvorrichtungen entwickelt worden, welche variable Widerstände aufweisen. Eine beispielhafte Vorrichtung mit einem variablen Widerstandspfad ist in der US-Patentschrift 3 657 692 (Hans H. Wormser) beschrieben; hier umgibt ein Abschnitt eines hochieitfähigen Materials teilweise einen Tunnel, in dem sich Widerstandsmaterial einer bestimmten geometrischen Gestalt befindet; die Kombination dieser beiden Materialien bildet den Widerstandspfad.
Ferner ist aus der US-Patentschrift 3 624 714- (James E. Frassrand) ein piezoresistiver Beanspruchungsmesser bekannt, zu dessen Wandler ein längs einer Kante unterstütztes Diaphragma mit einem Halbleiterchip
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gehört, wobei eine Brückenschaltungsanordnung des an die Innenfläche gebondeten piezoresistiven Beanspruchungsmessers zu den zugaktiven Bereichen im Zentrum des Diaphragmas sowie den druckaktiven Bereichen am Umfang des Diaphragmas vorgesehen ist.
Bei einer anderen Ausfuhrungsform eines Beanspruchungsmessers sind die Widerstände in Form einer Wheatstone1sehen Brücke geschaltet. So ist aus der TJS-Patentschrift 2 740 093 (Eoscoe A. Ammon) ein Prüfgerät für Meßgeräte "bekannt, das eine Wheatstone'sehe Brückenschaltung zur Bestimmung der Stromempfindlichkeit und des Innenwiderstandes von Gleichstrominstrumenten wie etwa Voltmetern oder Ämperemetern vorsieht. Zur Kompensation der Abweichungen des unbekannten Widerstandes des Meßgerätes von einem Normal- oder Nennwiderstand ist die bekannte Brückenschaltung mit einem variablen Widerstand versehen, welcher eine Anzahl von mechanisch verbundenen Anzapfstellen aufweist.
Weiterhin ist es bei derartigen Beanspruchungsmessern bekannt, einen elastisch verformbaren Körper so anzuordnen, daß die als Folge der Krafteinwirkung auftretenden (mechanischen) Beanspruchungen in bestimmten Abschnitten des Körpers lokalisiert auftreten; insbesondere kann durch bestimmte Formgebung erreicht werden, daß einerseits die Druckbeanspruchungen und ande-
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In Verbinaiang nit -eise® salehsa Aufbaa ksan maa ein® spezielle Anordnung einer Hheatatoa© ° sehen Brücken«= schaltung vorsehen, hei welcher zwei Beanspruchtiagsmesser an der, den hohen Druekspaammgen ausgeaetsten Körperoberfläche angebracht und zwei weitere Beanspruchungsmesser an der den hohen Zugbeanspruchungen ausgesetzten Körperoberfläche angebracht sind. Pur einen solchen Aufbau ist es wünschenswert, für die Beanspruchungsmesser im unbeanspruchten Zustand gleiche Widerstandswerte vorzusehen, so daß die nachstehende Gleichung erfüllt ist:
R1 + B2 m m 4 R5
B2 R3
Bei der Herstellung derartiger Beanspruchungsmesser muß eine Ausgleichsjustierung vorgenommen werden, da die gebräuchlichen Verfahren zur Dünnschicht-Widerstandsherstellung etwa mittels photolithographischer Maßnahmen oder Sputterabscheidung nicht die hohe erforderliche Genauigkeit ergeben. Üblicherweise ist eine solche Justierung mittels Laserzurichtung bzw. -trimmen, Anodisierung, Luftabrieb oder dgl. durchgeführt worden; derartige Maßnahmen können jedoch die
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BiNAL INSPECTED
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ia es wünschenswert ists die ¥iö,erstanösschiclsi&ea s© abzuscheiden, daß ihr Widerstandswert dem ursprünglich ausgeglichenen Wert möglichst nahekommt, kann die tatsächlich auftretende Ungleichheit leicht positiv oder negativ sein. Weiterhin kann der Einbau der Sensorelemente innerhalb des Meßkörpers und die dazu erforderliche Aufbrechbehandlung die Ungleichheit verändern oder verstärken, so daß es erforderlich wird, eine Endkorrektur in jeder Justierrichtung vorzusehen.
Weiterhin ist es wünschenswert, den Beanspruchungsmesser kompakt zu bauen, so daß alle seine Abschnitte im Betrieb den gleichen Wärmebedingungen ausgesetzt sind.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein verbesserter Dünnschicht-Beanspruchungsmesser bereitgestellt, der trotz seiner hohen Ausgleichsgenauigkeit äußerst einfach im Aufbau und wirtschaftlich in der Herstellung ist.
Im einzelnen wird mit der Erfindung ein Dünnschicht-Beanspruchungsmesser bereitgestellt, welcher diskrete Justierwiderstandselemente an dem Körper aufweist, der
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ORIGINAL INSPECTED
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auch die Abfiihlwiderstandselemente des Dünnschicht-Beanspruclmngsmessers trägt- Weiterhin sind Mittel zur Verbindung verschiedener, ausgewählter Jtistierwiderstaaadselemeiite in Beine mit den Abfühlwiderstandselementen vorgesehen, so daß ein exakter Ausgleich der Widerstands elemente in der Brückenschaltung möglich ist.
VeiterMn umfaßt die Erfindung die Abscheidung der Jiastierwiderstandselemente !benachbart zu den Abfühlwiderstandseleinenten,so daß die Justierwiderstandselemente im wesentlichen unter den gleichen Temperaturbedingungen gehalten werden, wie die Abfiihlwiderstandselemente. Schließlich umfaßt die Erfindung die Erzeugung der Justierwiderstandselemente im gleichen, die Abfühlwiderstandselemente erzeugenden Abscheidungsvorgang, was zur Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens beiträgt.
Me Justierwiderstandselemente können so hergestellt werden, daß sie die gleichen charakteristischen Eigenschaften aufweisen, wenn diese im gleichen Abscheidungsvorgang erzeugt werden.
Die gleichzeitige Erzeugung der Justierwiderstandselemente mit den Abfühlwiderstandselementen beseitigt
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den Bedarf für Verbindungen zwischen getrennt erzeugten Komponenten und trägt wirksam zu einer Kostensenkung bei der Herstellung des Beanspruchungsinessers bei.
Die Justierwiderstandselemente können als eine Reihe voneinander getrennter, diskreter Widerstände bezeichnet werden, welche mit Anschlußstellen verbunden sind, so daß eine Justierung des Abfühlwiderstandes durch geeignete Verbindung mit einer ausgewählten Anschlußstelle oder mehreren ausgewählten Anschlußstellen möglich ist.
Die Abfühlwiderstandselemente sind zweckmäßigerweise an auf druckbeanspruchten, sowie an auf zugbeanspruchten Abschnitten des verformbaren Körpers bzw. Verformungsteils angeordnet, so daß die gewünschte Empfindlichkeit gegenüber der Beanspruchung bzw. Belastung gegeben ist. Die Justierwiderstandselemente sind vorzugsweise an einem nicht-verformbaren Abschnitt des Körpers eingebracht, wobei sich die Zuleitungskontakte auf dem nichtverformbaren Abschnitt des Verformungsteils befinden, so daß eine möglichst geringe Anzahl an Zuleitungen möglich wird, beispielsweise lediglich 5 Zuleitungen. Alternativ könnten die Justierwiderstandselemente auch auf dem verformbaren Abschnitt des Verformungsteils angeordnet sein, was jedoch einen größeren Flächenanteil
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Die mit den Justierwiderstaadselemeatea Anzapfungen "bzw. Anzapfstellen können s© angeordnet sein, daß die Justierung des Widerstandes durch Kurzschließen von Widerstandsabschnitten oder durch entsprechende Festlegung des Betr&gs an in Reihe geschalteten Widerständen zwischen den Anzapfstellen und den Abfühlwiderständen erfolgt.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ferner die Erzeugung der Beanspruchungsmeßanordnung auf der Verformungsteiloberfläche und nachfolgende Hinzufügung der mechanischen Komponenten, wie etwa des Anlenkstiftes, eines Diaphragmas oder anderer mechanischer Bauteile zur Druckerfassung, um eine wirksame Abgleichjustierung des gesamten Kraftwandlers mittels der Justierwiderstandselemente durchzuführen und damit alle Abweichungen einschl. mechanischer Abweichungen zu kompensieren.
Auf diese Weise erweist sich das effindungsgemäße Beanspruchungsmeßgerät als äußerst einfach im Aufbau und wirtschaftlich in der Herstellung und gewährleistet trotzdem eine erheblich verbesserte Wirkung, wie das oben bereits erläutert ist.
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M wird die Erfin&irag ia einseinen anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Fig. 1 bis J erläutert; es zeigt?
Pig. 1 in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Beanspruchungsmeßgerät;
Fig. 2 in schematischer Darstellung das Verdrahtungsdiagramm dieses Beanspruchungsmessers; und
Fig. 3 in schematischer Darstellung das Verdrahtungsdiagramm einer modifizierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beanspruchungsmessers .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert, wie sie in den Fig. 1 und dargestellt ist. Zu diesem Dünnschicht-Beanspruchungsmesser 10 gehört ein Dünnschicht-Äbfühlwiderstand 11, der auf dem verformbaren Element bzw. Verformungsteil 12 aufgebracht ist. Sofern das Verformungsteil 12 aus einem leitfähigen Material wie etwa Metall besteht, kann die Verformungsteiloberfläche mit einer geeigneten Isolierschicht versehen sein.
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Wie das in Fig. 1 angedeutet ist, kann zu dem Verformungsteil 12 ein erster Abschnitt 13 gehören, der auf Zug beansprucht ist, sowie ein zweiter Abschnitt 14, der auf Druck beansprucht ist. Die Dünnschicht des Beanspruchungsmessers kann in situ mittels üblicher Abschexdungsverfahren auf der isolierenden Oberfläche 15 des Verformungsteils 12 aufgebracht werden. Zweckmäßigerweise werden vier Abfühlwiderstandselemente 17, 18, 19 und 20 vorgesehen, welche nach Art einer Wheatstone1sehen Brücke angeordnet bzw. angeschlossen sind. Wie das in Pig. 1 dargestellt ist, können die Widerstandselemente 17 und 18 auf der Oberfläche 15 in dem auf Zug beanspruchten Flächenbereich 13» sowie die Widerstandselemente 19 und 20 in dem auf Druck beanspruchten Flächenbereich 14 aufgebracht sein.
Wie das ferner der Figur 1 zu entnehmen ist, gehört zu dem Beanspruchungsmesser 10 ein Abschnitt 21 mit den Justierwxderstandselementen; dieser Justierabschnitt ist auf der Oberfläche 15 benachbart zur Brückenschaltung 16 angeordnet und befindet sich vorzugsweise auf einem nicht-verformbaren Bereich 22 des Verformungsteils.
Die Erfindung umfaßt ferner die Erzeugung des Beanspruchungsmessers 10 durch gleichzeitige Erzeugung
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des Brückenabschnittes 16 und des Justierwiderstandsa"bschnittes 21, was mittels üblicher Sputterabscheidungen oder photolithographischer Verfahren erfolgen kann, die in der Fachwelt "bekannt sind. Als Folge der gleichzeitigen Erzeugung der Abfühl- und Justierwiderstände resultieren ohne "besonderen Aufwand geringe Kosten bei der Herstellung eines sorgfältig abgeglichenen Beanspruchungsmessers 10.
Wie das weiterhin der Fig. 1 zu entnehmen ist, gehört zu dem Justierwiderstandsabschnitt 21 eine Anzahl elektrisch leitfähiger Anzapfungen bzw. Anzapfstellen 23« Zweckmäßigerweise besteht hierzu die Oberflächenschicht 15 aus einem geeigneten, elektrisch isolierenden Material, auf dem seinerseits das Widerstandsmaterial und das Anzapfstellenmaterial aufgebracht worden sind, um den angestrebten Beanspruchungsmeßaufbau zu erhalten. Der mit den Fig. 1 und 2 dargestellte Aufbau eines solchen Beanspruchungsmeßgerätes ist beispielhaft als eine Ausgestaltung eines solchen Beanspruchungsmessers anzusehen, und für Fachleute ist ersichtlich, daß im Rahmen dieser Erfindung auch irgendeine andere Ausgestaltung insbesondere hinsichtlich der Konfiguration der Widerstandselemente vorgesehen werden kann.
Zwischen dem Justierwiderstand 21 und dem die Beanspruchung erfassenden Abfühlwiderstand 16 sind Yerbin-
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= Sl,
24 fefesiös ass?
scJaeicLsmg aer Anzapfstellen 22 erseugt t-iordeja ©iaäo Wie aus lig= 1 ersichtlich, Isöaaea die Leiterbahnen 24 auch die Endanschlußstellea 25,2692?,28, und 29 einschließen, welche ebenfalls in Form von Inzapfstellen ähnlich den Anzapfstellen 23 ausgebildet sind.
Die Wirkungsweise dieses Beanspruchungsmessers wird zweckmäßigerweise mit Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Im einzelnen ist, wie dargestellt, eine sog. Wheatstone'sche Brücke 16 vorgesehen, welche sich aus der Brückenanordnung der Widerstandselemente 17»18,19 und 20 ergibt.
Ein Ende 19a des Widerstandselementes 19 ist mit einem ersten Abschnitt 30 des Justxerwiderstandselementes verknüpft. Ein Ende 17a des Widerstandselementes 17 ist mit einem zweiten Abschnitt 31 des Justierwiderstandselementes 21 verknüpft. Wie das in Fig. 2 dargestellt ist, können zu dem Justierwiderstandselement-Abschnitt 30 eine Anzahl einzelner Widerstände 30a, 30b und 30c gehören, welche in Reihe geschaltet sind und durch die Anzapfstellen 23c bzw. 23d getrennt sind. Das
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INSPECTED
ti)
>n des Äbfü&luid©rs"ij©aSs@lQa®at(3S! ist i
24h mit dem WisLersfcanöseleiaest
Das Ende 17b des Widerstendselementes 17 und das Ende 20b des Widerstandselementes 20 sind gemeinsam mit der Anzapfstelle 26 verbunden. Das Ende 20a des Widerstandselementes 20 und das Ende 18a des Widerstandselementes 18 sind gemeinsam mit der Anzapfstelle 29 verbunden. Das Ende 18b des Widerstandselementes 18 und das Ende 19b des Widerstandselementes 19 sind gemeinsam mit der Anzapfstelle 28 verbunden.
Ein Voltmeter G kann einerseits mit der Anzapfstelle 29 und andererseits über parallele Zuleitungen mit den Anzapfstellen 25 und 27 verbunden sein. Zwischen den Anzapfstellen 28 und 26 kann eine geeignete Gleichstromquelle, etwa eine Batterie B vorgesehen sein, um eine geeignete Ablesung bzw. Anzeige für die Beanspruchung im Element 12 mittels des Voltmeters G zu erzeugen.
Die Verbindung der Zuleitung 24b mit dem Widerstandselement 31a kann mittels der Anzapfstelle 34 erfolgen; in gleicher Weise kann die Verbindung der Zuleitung 24a mit dem Widerstandselement 30a mittels der Anzapfstelle 35 erfolgen. Somit kann nunmehr die
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Justierung der Justier-Widerstandselement-Abschnitte 30 "und 3Ί durch geeignete Verbindung der Zuleitungen 32 und 33 3ait jeweils einer ausgewählten der verschiedenen Anzapfstellen erfolgen. Beispielsweise kann die Zuleitung 32 ausgewählt mit irgendeiner Anzapfstelle, nämlich der Anzapfstelle 35» der Anzapfstelle 23a, der Anzapfstelle 23h oder der Anzapfstelle 27 verbunden werden. In der dargestellten Ausführungsform entspricht das Widerstandselement 30a einer Einheit, das Widerstandselement 30h entspricht zwei Einheiten und das Widerstandselement 30c entspricht ebenfalls zwei Einheiten. In gleicher Weise entspricht das Widerstandselement 31a einer Einheit, das Widerstandselement 31b entspricht zwei Einheiten, und das Widerstandselement 3^c entspricht zwei Einheiten. Wie das in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Verbindung des Widerstandselementes 31s mit der Zuleitung 24b über die Anzapfstelle 34 erfolgen; in gleicher Weise kann die Verbindung der Zuleitung 24a mit dem Widerstandselement 30a über die Anzapfstelle 35 erfolgen. Die Verbindung des Voltmeters G mit den Anzapfstellen 27 und 25 kann über die Zuleitung 32 bzw. über die Zuleitung 33 erfolgen.
Auf diese Weise kann die Zuleitung 27 ausgewählt/irgendeiner der Anzapfstellen 35, 23a, 23b oder 27 verbunden
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werden, und die Zuleitung 33 kann ausgewählt mit irgendeiner der Anzapfstellen 34-, 23c, 23d oder 25 verbunden werden. Damit wird beispielsweise durch Verbindung der Zuleitung 32 mit der Anzapfstelle 27 und der Zuleitung 33 mit der Anzapfstelle 34 eine Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandselementes 19 relativ zum Widerstandselement 17 um fünf Einheiten erzielt. Umgekehrt kann durch Verbindung der Zuleitung 32 mit der Anzapfstelle 35 und der Zuleitung 33 ndt der Anzapfstelle 25 der Widerstandswert des Widerstandselementes 17 relativ zu demjenigen des Widerstandslementes 19 um fünf Einheiten erhöht werden. Wie das für Fachleute ersichtlich ist, kann durch geeignete Verbindung der Zuleitungen 32 und 33 mit verschiedenen Anzapfstellen des jeweiligen Justierwideretandselement-Abschnittes 30 und 31 eine unterschiedliche Abgleichung der Widerstandswerte der Widerstandselemente 17 und 19 durchgeführt werden.
Bei einer Ausführungsform können die diskreten Widerstandselemente der Justierwiderstandsabschnitte 30 und 31 in Form einer binären Folge (d.h. 1 Ohm, 2 Ohm, 4 Ohm, 8 Ohm, usw.) angeordnet sein, so daß durch Kurzschliessen entsprechender Widerstandselementabschnitte die Abfühlwiderstandselemente über einen erheblichen Bereich jeweils auf Widerstandswerte eingestellt werden, die um eine Einheit voneinander abweichen. Wie das für
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ds Sr:?i2^?5ä5g ®i~ie S^x^Kiirag "res diiS:?«^?:«. iuisti^;?=· v.i3er«rGKiössIes:istesu "^Glaao Ü© Sisis teilung dsr stanfiswerte der AbfüflltdLüerstlncis auf swei Arten ermöglichen, aäalich einmal dureh ¥erbinäuag der Zuleitungen 32 und 35 mit jeweils verschiedenen-Anzapfstellen der Justierwiderstandselemeate oder geeignetes Ku.rzsehliessea bzwo Aussehliessea diskreter Widerstandsabschnitte der Justierwiäerstandselemente, wobei die Zuleitungen 32 und 33 mit den Anzapfstellen 27 und 25 verbunden bleiben»
Darüberhinaus umfaßt die Erfindung jene Möglichkeit, bei der lediglich ein einziger Justierwiderstandsabschnitt zur Justierung des Abgleiche in beiden Eichtungen benutzt wird, d.h. sowohl in positiver wie in negativer Richtung. Das heißt, die Brückenwiderstandselemente können so vorgesehen werden, daß ein ausreichendes Ungleichgewicht in einer Sichtung besteht (soweit es die Toleranzen des Fertigungsprozesses zulassen), um zu gewährleisten, daß ein wirksamer Ausgleich bzw. Abgleich durchgeführt wird, indem ein einzelner Abschnitt der Brückenwiderstandselemente entsprechend justiert wird.
Auf diese Weise umfaßt die Erfindung jene Möglichkeit, bei welcher der Justierwiderstandsabschnitt 21 Wider-
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2(3
^"■j;- :i.B®l®a©at3 aufusist, Si© J© saefa Bedarf aa ©iae ^alie'dige Anzahl voa. Abschnittes der Brückenwisi©r° Eüänae angeschlossen s£nSs wobei beispielsweise fier. über zwei Abschnitte erfolgende Widerstandsabgleich eine vorteilhafte Anordnung darstellt.
Wie das oben bereits kurz angedeutet worden ist, kann es zur Gewährleistung einer noch besseren Wirksamkeit des Beanspruchungsmessers vorteilhaft sein, die mechanischen Bauteile an der Vorrichtung anzubringen, und eine Einarbeitung des gesamten Meßgerätes durchzuführen, indem eine Folge von Verformungen des Beanspruchungsmessers durchgeführt wird, bevor die gewünschten Justierverbindungen zu den Justierwiderstandselementen angebracht werden.
Wie das oben bereits angegeben ist, werden die Abfühlwiderstandselemente 12 und die Justierwiderstandselemente 21 vorzugsweise mittels Dünnschichtabscheidung erzeugt, wobei vorzugsweise die gleichzeitige Erzeugung dieser Widerstandselemente aus dem gleichen Material vorgesehen ist. Weiterhin kann ein Schutzüberzug aus einem isolierenden oder passivierenden Belag 36 (der in I'ig. 1 lediglich schematisch in der unteren linken Ecke angedeutet ist) über dem gesamten Beanspruchungsmesser vorgesehen werden, wobei die Bereiche
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für die elektrischen Anschlüsse und Verbindungen anschließend freigelegt werden, indem der Isolierbelag an ausgewählten Stellen entfernt wird.
Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf Fig. 3 eine modifizierte Ausführungsform eines Beanspruchungsmessers 110 erläutert. Im wesentlichen weist dieser Beanspruchungsmesser 110 den gleichen Aufbau wie der oben bereits erläuterte Beanspruchungsmesser 20 auf, wobei jedoch eine Modifizierung des Justierwiderstandsabschnittes 121 zum justierbaren Abgleich der Widerstandsbrücke 116 vorgesehen ist.
Im einzelnen weist, wie das in Fig. 3 dargestellt ist, der Justierwiderstandsabschnitt 121 eine Anzahl von elektrisch leitenden Anzapfstellen 123 auf und ist über die Zuleiter bzw. Verbinder 124 zwischen den Brückenwiderstandselementen 117 und 119 an die Widerstandsbrücke angeschlossen. Die gegenüberliegende Ecke der Widerstandsbrücke, welche von den Enden der Widerstandselemente 118 und 120 gebildet wird, ist über die Anzapfstellen 125 und 127 und die geeignete Zuleitung L wahlweise mit einer der Anzapfstellen 123 über das Voltmeter G verbindbar. Auf diese Weise bleibt der Gesamtwiderstandswert des zwischen den Brückenwiderstandselementen 117 und 119 befindlichen Justierwiderstandes konstant, während das
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Verhältnis der Widerstände, die alternativ mit den Widerstandselementen 117 und 119 verbunden sind, verändert werden kann, indem die Zuleitung L wahlweise mit der gewünschten Anzapfstelle 123 verbunden wird. Indem zwischen den Anzapfstellen 125 und 127 eine offene Ecke vorgesehen wird, kann dadurch im Gebrauch die Nulleinstellung der Brücke durchgeführt werden.
Bei der gerade erläuterten Ausfünrungsforia ist die Ecke der Widerstandsbrücke an der Anzapfstelle 126 über die Batterie B mit der Ecke an der Anzapfstelle 128 verbunden. Dadurch funktioniert der Beanspruchungsmesser 110 in ähnlicher Weise wie der Beanspruchungsmesser 10, indem eine ausgewählte Justierung des Abgleichs der Brücke ermöglicht wird, indem irgendeine der mit dem Justxerwiderstandselement verbundenen Anzapfstellen mit zwei Widerstandselementen der Widerstendsbrücke verbunden wird. In den Fig. 2 und 3 sind entsprechende Bestandteile der Beanspruchungsmesser 10 bzw. 110 mit ähnlichen, jedoch im Falle des Beanspruchungsmessers 110 um "100" höheren Bezugsziffern bezeichnet.
Für die vorliegende Erfindung bestehen eine fieihe verschiedener Anwendungsmöglichkeiten im industriellen und gewerblichen Bereich. Die erfindungsgemäßen Dünnschichtsensoren können vorteilhaft in einem weiten Bereich von Sensoranwendungen eingesetzt werden; beson-
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ders bevorzugt sind Anwendungen als Fühler für Beanspruchungsmesser in Kraftwandlern und dgl.
Wie dargelegt, erlaubt die verbesserte Sensorvorrichtung einen genauen und leichten Abgleich sowie die Justierung der Widerstandswerte auf eine neue und einfache Weise. Die Sensoren können zu niedrigen Kosten hergestellt werden und sind daher für die Anwendung in einem weiten Bereich von Sensoranwendungen geeignet.
Wie oben dargelegt, ist die Erfindung anhand von beispielhaften Awsführungsformen erläutert worden. Für Fachleute ist ersichtlich, daß verschiedene Abwandlungen und Modifizierungen möglich sind, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen, wie er mit dem Gegenstand der Patentansprüche und deren Äquivalente umrissen ist; derartige Abweichungen und Modifizierungen werden daher ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfaßt.
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Claims (22)

  1. PATENTANWÄLTE
    TISCH ER
    Albert-Rogshaupter-Strasse 65 ■ D 8000 München 70 - Telefon (089) 7605520 · Telex 05-212264 patad Telegramme Kernpatent München
    GOULD INC., 22. Sept. 1980·
    10 Gould Center, GD-35
    Rolling Meadows, Illinois ■ U. S. A.
    Justierbarer Dünnschicht-Beanspruchungsmesser und Verfahren zur Herstellung
    Patentansprüche:
    I.) Dünnschicht-Beanspruchungsmesser an einem Verformungsteil, das eine erste Befestigungsfläche an einem verformbaren Abschnitt und eine zweite Befestigungsfläche an einem nicht-verformbaren Abschnitt aufweist,
    zum Messen der Beanspruchung des verformbaren Abschnittes,
    dadurch gekennzeichnet, daß
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    auf der ersten Befestigungsfläche ein Abfühlwiderstand (11) aufgebracht ist, dessen Widerstandswert sich als Folge einer von einer Beanspruchung hervorgerufenen Verformung dieses Körperabschnittes ändert; ein Justierwiderstand (21) mit einer Anzahl diskreter Justierwiderstandselemente (30,31) auf der zweiten Befestigungsfläche aufgebracht ist; und Einrichtungen (23,24) vorhanden sind, um die Justierwiderstandselemente in Reihe mit dem Abfühlwiderstand zu verbinden und um eine elektrisch leitende Verbindung des Abfühlwiderstandes mit verschiedenen ausgewählten einzelnen Justierwiderstandselementen herzustellen.
  2. 2. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    die zweite Befestigungsfläche am nicht-verformbaren Abschnitt (22) benachbart zur ersten Befestigungsfläche am verformbaren Abschnitt (13»14) angeordnet ist.
  3. 3· Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    auf der zweiten Befestigungsfläche eine Anzahl Anzapfstellen (23) aufgebracht ist, welche in elektrisch leitender Verbindung mit verschiedenen Abschnitten des Justierwiderstandes (21) stehen.
    130021/0718
  4. 4. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach einem der Ansprüche 1 Ms 3»
    dad'arch gekennzeichnet, daß
    der Abfühlwlderstand (11) aus einer Anzahl diskreter Abfühlwiderstandselemente (17,18,19,20) gebildet ist.
  5. 5- Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Abfühlwxderstandselemente (17,18,19,20) zu einer Wheatstone'sehen Brücke geschaltet sind.
  6. 6. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5»
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Justierwiderstand (21) aus einer Anzahl von Gruppen (30,31) von in Heihe geschalteten Justierwiderstandselementen (30a, 30b, 30c, 31a, 31b, 31c) gebildet ist; und
    diese unterschiedlichen Gruppen in Reihe mit verschiedenen Abschnitten (17»19) des Abfühlwiderstandes (11) verbunden sind.
  7. 7. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß
    der Justierwiderstand (21) in Reihe mit einem Zweig der Wheatstone'sehen Brückenschaltung verbunden ist.
    130021/0719
    3Q35678
  8. 8. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7>
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Abfühlwiderstand (11) und der Justierwiderstand (21) aus Dünnschicht-Widerstandsschichten bestehen, welche gleichzeitig auf dem Verformungsteil (15) aufgebracht worden sind.
  9. 9« Dünnschicht-Beanspruchungsmeseer nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Schutzschicht (36) oberhalb der beiden Befestigungsflächen und der Widerstandselemente (11,21) aufgebracht ist.
  10. 10. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser an einem Verformungsteil, das eine erste Befestigungsfläche an einem verformbaren Abschnitt und eine zweite Befestigungsfläche an einem nicht-verformbaren Abschnitt aufweist,
    zum Messen einer Beanspruchung des verformbaren Abschnittes,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    auf der ersten Befestigungsfläche ein Abfühlwiderstand (111) aufgebracht ist, dessen Widerstandswert sich als Folge einer von einer Beanspruchung hervorgerufenen Verformung dieses Körperabschnittes ändert;
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    auf der zweiten Befestigungsfläche ein Justierwiderstand (121) mit einer Anzahl diskreter Justierwiderstandselemente aufgebracht ist; und Einrichtungen (123, 124) vorhanden sind, um den Justierwiderstand (121) mit dem Abfühlwiderstand an einer Stelle zwischen zwei Abfühlwiderstands-Abschnitten zu verbinden, und um eine elektrisch leitende Verbindung zu dem Abfühlwiderstand (111) bei verschiedenen Verhältnissen der Widerstandswerte des Justierwiderstandes (121) herzustellen.
  11. 11. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Abfühlwiderstand (111) aus diskreten Abfühlwiderstandselementen (117,118,119,120) gebildet ist, welche ihrerseits in Form einer Wheatstone1sehen Brücke geschaltet sind.
  12. 12. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Justierwiderstand (121) zwischen zwei Zweigen der Brückenschaltung angeschlossen ist.
  13. 13. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
    die elektrische Zuleitung (L) an einer Stelle zwischen den gegenüberliegenden Zweigen der Brückenschaltung angeschlossen ist.
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  14. 14. Dünnschicht-Beanspruchungsmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, £aß
    die gegenüberliegenden Zweige einen offenen Schaltungsabschnitt der Brückenschaltung bilden» welche mittels der elektrischen Zuleitung ausgewählt geschlossen werden.
  15. 15. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschicht-Beanspruchungsmessers nach einem der Ansprüche 1 bis 14-, dadurch gekennzeichnet, daß
    eine Widerstandsschicht auf der mit einer Isolierschicht versehenen Oberfläche eines Verformungsteils aufgebracht wird;
    aus der Widerstandsschicht Abfühlwiderstandselemente und Justierwiderstandselemente herausgearbeitet werden; und Zuleitungen aufgebracht werden, welche die Justierwiderstandselemente in Reihe mit den Abfühlwiderstandselementen verbinden und Zuleitungen zu verschiedenen Abschnitten der Abfühlwiderstandselemente vorgesehen werden, um ausgewählt eines der verschiedenen Justierwiderstandselemente in Reihe mit den Abfühlwiderstandselementen zu verknüpfen, um die letzteren genau zu Justieren.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15»
    dadurch gekennzeichnet, daß
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    die elektrischen Zuleitungen aus einer abgeschiedenen Schicht herausgearbeitet werden.
  17. 17· Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Widerstandsschicht bzw. die Schicht aus elektrisch leitendem Material auf einer Außenfläche des Verformungsteils aufgebracht werden.
  18. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 "bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Verformungsteil mit einem verformbaren Abschnitt und einem dazu benachbarten nicht-verformbaren Abschnitt vorgesehen wird; und
    die Abfühlwiderstandselemente auf dem verformbaren Abschnitt und die Justierwiderstandselemente auf dem nicht-verformbaren Abschnitt aufgebracht werden.
  19. 19· Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
    auf dem Verformungsteil einschl. den Widerstandsschichten und elektrisch leitenden Schichten eine isolierende Schutzschicht aufgebracht wird, welche Aussparungen an den Anschlußstellen aufweist.
  20. 20. Verfahren zur Erzeugung eines justierbaren Dünnschicht-Beanspruchungsmessers, dessen Wider-
    130021/0719
    standselemente in Form einer Wheatstone'sehen Brückenschaltung auf einer mit einem isolierenden Belag versehenen Fläche eines Verformungsteiles aufgebracht sind, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: auf dem isolierenden Belag auf dem Verformungsteil wird eine Widerstandsschicht aufgebracht; aus der Widerstandsschicht werden die in Form einer Wheatstone'sehen Brücke angeordneten Abfühlwiderstandselemente herausgearbeitet und benachbart dazu werden Justierwiderstandselemente herausgearbeitet, welche in Reihe mit wenigstens einem Zweig der Abfühlwiderstandselemente angeschlossen sind; und
    es werden elektrische Zuleitungen an die Justierwiderstandselemente angebracht, um irgendeines der verschiedene Widerstandswerte aufweisenden Justierwiderstandselemente in fieihe mit dem Abfühlwiderstand zu verbinden, um dadurch dessen genaue Justierung durchzuführen.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Justierwiderstandselemente in Reihe mit zwei Zweigen der Wheatstone'sehen Brückenschaltung aus Abfühl-■widerstandselementen verbunden sind.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Abfühlwiderstandselemente mit einem Widerstandswert
    130021/0719
    t werdeas ^ er um eia@a wrgegelbeaen Betrag i© einer Eichtung vom ausgeglichenen Zustand abweicht und zur Justierung die Justierwiderstandselemente lediglich mit einem Zweig der Wheatstone*sehen Brük« kenschaltung verbunden werden»
    23- Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Abfühlwiderstandselemente mit einem Widerstandawert erzeugt werden, der im wesentlichen dem vorgesehenen Wert entspricht; und
    zum genauen Abgleich Justierwiderstandselemente mit ausgewähltem Viderstandswert in Reihe mit Jedem der beiden Zweige der Wheatstone1sehen Brückenschaltung verbunden werden.
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DE19803035678 1979-11-13 1980-09-22 Justierbarer duennschicht-beanspruchungsmesser und verfahren zur herstellung Withdrawn DE3035678A1 (de)

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