DE3421963A1 - Dehnungssensor - Google Patents

Description

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Dehnungssensor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungssensor, der Dehnungsmeßstreifenwiderstände und ein Leiterbild enthält, welche Teile durch die sog. Dünnfilm-Fertigungstechnik hergestellt sind.

Bei herkömmlichen Dehnungssensoren des Dünnfilmtyps ist ein Leiterbild, das eine Brückenschaltung durch entsprechendes Verbinden von Dehnungsmeßstreifenwiderständen miteinander darstellt, aus Gold (Au) gebildet. In diesem Fall wird, wenn ein Widerstandswert dieses Leiterbildes nicht auf einen Betrag heruntergesetzt wird, der ausreichend kleiner als die Widerstandswerte der Dehnungsmeßstreifenwidertände ist, das Brückengleichgewicht beeinflußt. Wenn angenommen wird, daß ein Brückenwiderstand 2 kΩ beträgt, die Eingangsspannung 10 V ist und ein Widerstandswert des Leiterbildes von 0.24 Ω vorliegt, beträgt der Spannungsfehler durch die Beeinflussung, mit der der Widerstand dieses Leiterbildes das Gleichgewicht der Brückenschaltung beeinträchtigt, etwa 600 μν. Wenn angenommen wird, daß die Länge des Leiterbildes 10 mm und dessen Breite 0.5 mm ist und daß dieses aus Gold (Au) hergestellt ist, ist es notwendig, eine Dicke des Leiterbildes auf 2 μΐη oder weniger festzulegen, um den Spannungsfehler durch den Einfluß, mit dem das Leiterbild das Brückengleichgewicht beeinträchtigt, auf weniger als 600 UV herabzusetzen.

Der Widerstandswert R des Leiterbildes ist durch die folgende Gleichung gegeben:

^{R =p}

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wobei ρ der spezifische Widerstand des Leiterbildes und Si, w und t die Länge, die Breite bzw. die Dicke des Leiterbildes repräsentieren.

Die Gleichung (1) kann wie folgt umgestellt werden:

wobei durch Einsetzen von R = 0.24 Ω, I - 10 mm, w = 0.5 mm u. ρ = 2.4 χ 10 (Ω.πι) in Gleichung (2) t = 2 μπι ist. Auf diese Weise werden, wenn Au mit einer Dicke von 2 μπι ausgebildet wird, dessen Kosten beträchtlich erhöht.

Obgleich in Erwägung gezogen wird, das Leiterbild durch ein billiges Metall, beispielsweise Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) oder ein ähnliches Metall anstelle von Au zu bilden, um eine derartige Steigerung der Kosten zu verhindern, haben diese Metalle eine geringere Korrosionsbeständigkeit als Au, und die Oberflächen dieser Metalle oxidieren oder korrodieren unter den abträglichen Bedingungen bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit oder dergl., so daß der Widerstandswert des Leiterbildes erhöht wird. Aufgrund dieser Tatsache ändert sich im Verlaufe der Zeit das Brückengleichgewicht, und es ist daher nicht sinnvoll, das Leiterbild aus Cu, Al oder dergl. zu bilden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungssensor zu schaffen, der ein chemisch stabiles Leiterbild enthält, das so ausgebildet ist, daß es einen niedrigen Widerstandswert hat.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Dehnungssensor mit einer Isolierschicht, die auf einem Trägerkörper ausgebildet ist, der einen Dehnungsmeßsignal-Erzeugungsabschnitt hat, mit einer Vielzahl von Dehnungsmeßstreifenwiderständen, die auf der Isolierschicht ausgebildet sind, und mit einem Leiterbild, das eine Brückenschaltung

durch entsprechendes Verbinden der Dehnungsmeßstreifenwiderstände miteinander darstellt, gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Leiterbild eine erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht, die auf der ersten leitenden Schicht angeordnet ist, aus einem chemisch stabilen Metall hergestellt ist und dünner als die erste leitende Schicht ausgebildet ist, enthält.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können, da die erste leitende Schicht durch die zweite leitende Schicht, welche chemisch neutral, nichtreaktiv und stabil ist, bedeckt ist, eine Oxidation und eine Korrosion der ersten leitenden Schicht auf ein Minimum beschränkt werden.

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung betreffender Figuren im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kraftmeßdose, die einen Dehnungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 gezeigten

Dehnungssensors.
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Fig. 3 zeigt einen Teil des Kraftmeßdosen-Aufbaus, der eine Folie aus Au-, Cu- u. NiCr-Schichten aufweist, die notwendig sind, um die in Fig. 1 gezeigte Kraftmeßdose zu bilden.
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Fig. 4 zeigt einen Teil des Kraftmeßdosen-Aufbaus, der ein Leiterbild aufweist, das durch Entfernen der Folienschichten, die in Fig. 3 gezeigt sind, mittels Ätzen ausgebildet ist.
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Fig. 5 zeigt einen Teil der Kraftmeßdose, die eine Brückenschaltung aufweist, welche durch selektives Entfernen

der Au- und Cu-Schichten in dem in Fig. 4 gezeigten Leiterbild ausgebildet ist.

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht längs einer Linie VI - VI der in Fig. 5 gezeigten Kraftmeßdose.

Fig. 1 zeigt, wie bereits erläutert, eine perspektivische Ansicht einer Kraftmeßdose, die mit einem Dehnungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung ausgestattet ist. Diese Kraftmeßdose hat einen Trägerkörper 2, der durch Ausschneiden aus rostfreiem Stahl (SUS630) oder Duraluminium (A2014, A2024 oder A2218) gewonnen wird, und ein Kraftmeßdosen-Element oder einen Dehnungssensor 4, der auf dem Trägerkörper 2 ausgebildet ist. Dieser Trägerkörper hat zwei Durchgangslöcher 2-1 u. 2-2, die so ausgebildet sind, daß sie einen Haltebügel (nicht gezeigt) zum Halten eines Wiegetrogs an einem beweglichen Ende aufnehmen können. Desweiteren hat dieser Trägerkörper 2 zwei seitliche Durchgangslöcher 2-4 u. 2-5, die so ausgebildet sind, daß sie sich seitwärts erstrecken, sowie ein Verbindungsloch 2-6, das so ausgebildet ist, daß es zum Verbinden der Durchgangslöcher 2-4 u. 2-5 seitwärts erstreckt. Diejenigen Teile des Trägerkörpers 2, die mit den oberen Abschnitten der Durchgangslöcher 2-4 u. 2-5 korrespondieren, bilden einen Dehnungsmeßsignal-Erzeugungs-Abschnitt.

Der Dehnungsssensor 4 weist einen Film 4-1 aus Polyimidharz, der auf dem Trägerkörper 2 ausgebildet ist, vier Wider-Standselemente 4-2 bis 4-5, die auf dem Film 4-1 in einer Position, die mit dem Dehnungsmeßsignal-Erzeugungsabschnitt des Trägerkörpers 2 korrespondiert, ausgebildet sind, Eingangsanschlüsse 4-6 u. 4-7, Ausgangsanschlüsse 4-8 u. 4-9 sowie leitende Schichten 4-10, die eine Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltung mt einer Ersatzschaltung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, durch selektives Verbinden der vier Widerstandselemente 4-2 bis 4-5 und der Eingangs- u. Aus-

gangsanschlüsse 4-6 bis 4-9 bilden, auf. In der Ersatzschaltung, die in Fig. 2 gezeigt ist, korrespondieren die Widerstände Rl bis R4 jeweils mit den Widerstandselementen 4-2 bis 4-5, die Eingangsanschlüsse VEl u. VE2 korrespondieren jeweils mit den Eingangsanschlüssen 4-6 u. 4-7, und die Ausgangsanschlüsse VOl und V02 korrespondieren' jeweils mit den Ausgangsanschlüssen 4-8 u. 4-9.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Kraftmeßdose beschrieben.

Die Oberfläche des Trägerkörpers 2, der beispielsweise durch Ausschneiden aus einem Blech aus rostfreiem Stahl (SUS630) gewonnen wird, wird entfettet und gesäubert. Dann wird eine Polyimid-Überzug mit einer Viskosität von 1000 cP auf die gesäuberte Oberfläche des Trägerkörpers 2 geträufelt, und es wird der Trägerkörper 2 durch eine Dreheinrichtung bei einer Umdrehungszahl von 1000 Umdrehungen pro Minute gedreht, wodurch die Dicke des Polyimid-Überzugfilms gleichmäßig ausgebildet wird. Anschließend wird der Trägerkörper 2 auf angenähert 350° C für die Dauer von einer Stunde erhitzt, um das Lösungsmittel des Polyimid-Überzugs zu verdampfen, das Polyimid-Harz wird ausgehärtet, und ein Polyimid-Harzfilm, der eine Dicke von ungefähr 4μπι hat, ist dann auf dem Trägerkörper 2 ausgebildet. In einem Fall, in dem der Trägerkörper 2 aus Duraluminium hergestellt ist, wird die zuvor erläuterte Behandlung bei einer Temperatur von 200° C statt 350° C durchgeführt.

Dann wird eine Widerstandsschicht aus Nickel-Chrom (NiCr) [mit 60 Gewichtsprozenten Nickel (Ni) und 40 Gewichtsprozenten Chrom (Cr)] mit einer Dicke von 0.1 Um durch Katodenzerstäubung (Sputtern) auf diesem Polyimid-Harzfilm ausgebildet, und es wird eine Kupfer (Cu)-Schicht, die eine Dicke von 2μη hat, durch Katodenzerstäubung (Sputtern) auf der Widerstandsschicht ausgebildet. Desweiteren wird eine Gold (Au)-Schicht, die eine Dicke von 0.1 μΐη hat, auf der

Kupfer (Cu)-Schicht ausgebildet, auf welche Weise auf dem Film 4-1 aus Polyimidharz eine Folie aus der Widerstandsschicht und den Cu- und Au-Schichten, wie in Fig. 3 gezeigt, gebildet wird. Dann wird die Folie dieser Widerstandsschicht und den Cu- und Au-Schichten mittels eines Fotoätzvorgangs selektiv ausgeätzt, um eine Folienanordnung eines vorbestimmten Leiterbildes, wie in Fig. 4 gezeigt, zu bilden. Der Film 4-1 aus Polyimidharz wird in einem Bereich außer dem Leiterbildbereich freigelegt. Der Reihe nach werden die Cu- und Au-Schichten selektiv durch Ätzen entfernt, und es werden ausgewählte Abschnitte der Widerstandsschicht aus NiCr wie in Fig. 5 durch schraffierte Bereiche gezeigt, freigelegt, wodurch die Widerstandselemente 4-2 bis 4-5 gebildet werden. Die Widerstandselemente 4-2 bis 4-5 sind mit dem verbliebenen Leiterbild verbunden, um eine Brückenschaltung zu bilden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

In der Kraftmeßdose, die in Fig. 1 gezeigt ist, wird, wenn ein Gewicht in einen Wiegetrog (nicht gezeigt), der durch den Haltebügel gehalten wird, der dem Durchgangsloch 2-3 zugeordnet ist, gelegt wird, der Dehnungsmeßsignal-Erzeugungsabschnitt des Trägerkörpers 2 verformt, und es wird eine Dehnungsspannung auf die Widerstandselemente 4-2 u. 4-3 im Zusammenhang damit ausgeübt, während eine Druckkraft auf die Widerstandselemente 4-4 u. 4-5 ausgeübt wird. Aufgrund dieser Tatsache ändern sich die Widerstandswerte dieser Widerstandselemente 4-2 bis 4-5, so daß sich das Verhältnis

R1 · R2
von ändert. Daher verändert sich sogar dann, wenn

die Eingangsspannung VE konstant ist, die Spannung VO zwisehen den Ausgangsanschlüsse VOl u. V02. Als Ergebnis wird diese Ausgangsspannung VO aus der Kraftmeßdose als ein elektrisches Signal gewonnen, das mit dem Gewicht, das auf sie einwirkt, korrespondiert.

In diesem Ausführungsbeispiel, wie es insbesondere in Fig. gezeigt ist, ist jedes Widerstandselement aus einer Ni-Cr-Schicht gebildet, die eine Dicke von 0.1 μm hat, und jede

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leitende Schicht ist durch ein Folie aus einer Ni-Cr-Schicht, die eine Dicke von 0.1 μm hat, einer Cu-Schicht mit einer Dicke von 2 μπι und einer Au-Schicht mit einer Dicke von 0.1 μm gebildet. Daher kann der Widerstand der leitenden Schicht 4-10 ausreichend kleiner als der Widerstand jedes der Widerstandselemente gemacht werden. Zusätzlich werden, da die obere Lage dieser leitenden Schicht 4-10 aus Au gebildet ist, da nämlich die obere Fläche der Cu-Lage durch die Au-Lage bedeckt ist, die Oxidation und Korrosion dieser Cu-Lage auf einem Minimum gehalten. Außerdem sind, da die leitende Schicht 4-10 in der Hauptsache aus der Cu-Lage gebildet ist, d. h. da die Au-Lage als die Schutzschicht dünn ausgebildet ist, die Herstellungskosten dieser leitenden Schicht 4-10 nicht sehr hoch.

Die vorliegende Erfindung wurde zuvor anhand eines AusfUhrungsbeispiels beschrieben. Die Erfindung ist indessen nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise ist in dem zuvor beschriebenen AusfUhrungsbeispiel die leitende Schicht aus Cu gebildet, jedoch kann diese leitende Schicht aus einem anderen leitenden Metall, z. B. Aluminium (Al), Chrom (Cr), einer Cu-Legierung, einer Al-Legierung usw. gebildet sein. Desweiteren kann, obwohl die Au-Lage als Schutzschicht verwendet wird, diese Schutzschicht aus einem chemisch stabileren oder mehr neutralen Metall als die leitende Schicht gebildet werden, beispielsweise aus Platin (Pt), Nickel (Ni), NiCr, einer Pt-Legierung oder Goldlegierung. In dem Fall, in dem die Schutzschicht aus NiCr gebildet ist, wird die NiCr-Lage an den Anschlüsse 4-6 bis 4-9 entfernt, um die leitende Schicht freizulegen, und es können Verbindungsschnüre an diese freigelegte Schutzschicht gelötet werden.

Claims (5)

Ansprüche:

1. Dehnungssensor mit einer Isolierschicht, die auf einem Trägerkörper ausgebildet ist, der einen Dehnungsmeßsignal-5 Erzeugungsabschnitt hat, mit einer Vielzahl von Dehnungsmeßstreifenwiderständen, die auf der Isolierschicht ausgebildet sind, und mit einem Leiterbild, das eine Brückenschaltung durch entsprechendes Verbinden der Dehnungsmeßstreifenwiderstände miteinander darstellt, dadurch g e -

10 kennzeichnet

daß das Leiterbild (4-10) eine

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erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht, die auf der ersten leitenden Schicht angeordnet ist, aus einem chemisch stabilen Metall hergestellt ist und dünner als die erste leitende Schicht ausgebildet ist, enthält.

2. Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

P * * I

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zeichnet , daß die zweite leitende Schicht aus zumindest einem Metall gebildet ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Gold (Au), Platin (Pt), Chrom (Cr), Nickel-Chrom (NiCr) und Legierungen davon besteht. 5

3. Dehnungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste leitende Schicht aus zumindest einem Metall gebildet ist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer (Cu), Aluminium (Al), Nickel (Ni) und Legierungen davon besteht.

4. Dehnungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die erste leitende Schicht auf einer widerstandsbehafteten Schicht ausgebildet ist, die integral mit den Dehnungsmeßstreifenwiderständen (4-2 bis 4-5) ausgebildet ist.

5. Dehnungssensor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Isolierschicht (4-1) aus einem Polyimidharz gebildet ist.