DE4132114A1

DE4132114A1 - Messaufnehmer fuer laengen- oder abstandsaenderungen

Info

Publication number: DE4132114A1
Application number: DE19914132114
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr Ing Beetz; Harald Dipl Ing Fritz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen und seine Verwendung in einem Kraftsensor.

Bei Kraftsensoren muß die von einer zu messenden Kraft ver ursachte elastische Verformung eines Meßkörpers mit hoher Genauigkeit von einem Meßaufnehmer in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Parasitäre Einflüsse, wie z. B. Seiten kräfte, überlagerte Momente oder Temperatureffekte, sollen den Meßwert dabei möglichst wenig beeinflussen.

Aus der DE-PS 37 36 154 ist eine Wägezelle bekannt, bei der zwischen einem zylindrischen Krafteinleitungsteil und einem hohlzylindrischen Trageteil zwei als Verformungsringe aus gebildete Membranen koaxial hintereinander angeordnet sind. Sie umschließen einen Ringhohlraum, in dem auf den Ober flächen der Verformungsringe zur Messung tangentialer Deh nungen Dehnungsmeßelemente angebracht sind. Dabei werden üblicherweise resistive Dehnungsmeßstreifen verwendet, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit der Dehnungen ändert. Diese Dehnungsmeßstreifen haben den Nachteil, daß ihre relative Widerstandsänderung nur etwa das Doppelte der Dehnung beträgt. Da die Dehnung aber aus Gründen der Werk stoffbelastung nicht wesentlich über 1% gesteigert werden kann, variiert das auszuwertende elektrische Signal über den Meßbereich lediglich um 2%. Zudem ist die Applikation der Dehnungsmeßstreifen aufwendig. Im Heißklebeverfahren wird zunächst der Kleber aufgetragen, dann die Dehnungsmeßstreifen auf das Verformungsteil aufgebracht und schließlich die ganze Wägezelle unter Druck mehrere Stunden im Ofen aufbewahrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßaufnehmer, insbesondere für einen Kraftsensor, zu schaffen, der eine hohe Empfindlichkeit aufweist und einfach applizierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Meßaufnehmer die im Anspruch 1 genannten Merkmale auf. In den Ansprüchen 2 bis 8 werden besonders vorteilhafte Ausführungsarten des erfindungs gemäßen Meßaufnehmers angegeben, die in großer Stückzahl in einem automatisierten Fertigungsprozeß herstellbar sind. Zur Verwendung des Meßaufnehmers in einem Kraftsensor ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, den Meßaufnehmer an zwei Punkten zu befestigen, die ihre relative Lage zueinander in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft verändern, so daß die erfaßte Ab stands- oder Längenänderung der zu messenden Kraft entspricht. Nach den Ansprüchen 10 und 11 können die durch Temperatur schwankungen verursachten Abstandsänderungen ausgefiltert werden. Die Verwendung eines Meßaufnehmers in Kraftsensoren gemäß den Ansprüchen 12 bis 16 zeichnet sich zusätzlich durch eine gute Unempfindlichkeit gegenüber Querkräften und Momenten aus.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß miniaturisierte Meßumformer wesentlich weniger Hilfsenergie benötigen als konventionelle Dehnungsmeßstreifen. Die erfindungsgemäßen Meßaufnehmer sind daher ohne weiteres auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar, da ihr Speisestrom unterhalb der in diesen Be reichen zulässigen Grenzwerte liegen kann. Weiterhin ist auf grund der besonderen Eigenschaften der Halbleitermaterialien eine größere relative Widerstandsänderung über den Meßbereich möglich. Das bedeutet, daß zur Auswertung ein hohes elektri sches Signal zur Verfügung steht und eine größere Empfind lichkeit erreicht wird. Die Eigensteifigkeit des Meßaufnehmers wird bestimmt durch den Meßbereich des miniaturisierten Meß umformers. Da dieser in der Größenordnung von 1 N liegt, sind die Rückwirkungen des Meßaufnehmers auf einen Kraftsensor mit einem erfindungsgemäßen Meßaufnehmer gering und in der Praxis vernachlässigbar. Über die Dimensionierung der Feder kann der Meßaufnehmer leicht an unterschiedliche Meßwege angepaßt werden. Die Fertigung der Kraftsensoren ist weitgehend auto matisierbar, da die Meßaufnehmer mit einem einfachen Auflöt vorgang appliziert werden können. Durch die gezielte Auslegung der Feder ist es möglich, den Temperaturgang des Elastizitäts moduls sowie Relaxationserscheinungen des Verformungsteils im Kraftsensor zu kompensieren. Durch die Verwendung des Halb leiters Silizium als Basismaterial für den miniaturisierten Meßumformer wird die Massenherstellung in einem bekannten Prozeß ermöglicht. Damit ist eine hohe Fertigungsgenauigkeit bei niedrigen Herstellungskosten erreichbar.

Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er findung dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Meßaufnehmer mit Parallelogrammfeder,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Meßaufnehmer nach Fig. 1 ohne Schutzgehäuse,

Fig. 3 einen miniaturisierten Meßumformer als Membrane,

Fig. 4 einen Kraftsensor und

Fig. 5 ein Schnittbild des Kraftsensors nach Fig. 4.

Der Meßaufnehmer in Fig. 1, zu dem in Fig. 2 eine Drauf sicht dargestellt ist, besteht aus einer Parallelogrammfeder mit den Federelementen 1 und 2 sowie einer Feder 3. Er ist umgeben von einem Schutzgehäuse 4, das mit Aussparungen 5, 6 und 7 versehen ist, welche die Auslenkungen der Feder 3 be grenzen und zur Überlastsicherung der Parallelogrammfeder dienen. Zur Messung einer Abstands- oder Längenänderung wird der Sensor an zwei Punkten 8 und 9 befestigt. Über die Form der Feder 3 und der Oberlastsicherung 4 ist der Meßaufnehmer an verschiedene Meßwege anpaßbar und kann für bestimmte Meß richtungen optimiert werden. Die Feder 3 ist an der Stelle 10 mit dem Meßumformer verbunden. In den Federelementen 1 und 2 der Parallelogrammfeder sind jeweils dehnungsempfindliche Bereiche angebracht, die in Abhängigkeit von der Abstands- oder Längenänderung ihren elektrischen Widerstand verändern. Wird z. B. die Feder 3 an dem Anlenkpunkt 8 in Richtung x ausgelenkt, so führt dies zu einer Dehnung der Bereiche 11 und 12 sowie zu einer Stauchung der Bereiche 13 und 14, die sich auf der Oberfläche des Federelements 1 befinden. Da sich je nach Richtung der Auslenkung an der Befestigungsstelle 8 die Auslenkungen unterschiedlich auf die dehnungsempfindlichen Bereiche auswirken, können mit dem erfindungsgemäßen Meß aufnehmer bei geeigneter Verschaltung der dehnungsempfind lichen Brücke, z. B. in einer Brückenschaltung, auch Ver schiebungen der relativen Lage zweier Körper zueinander gemessen werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der miniaturisierte mechanisch/elektrische Meßumformer als scheibenförmige Silizium-Mebrane 15 ausgebildet ist. In die Oberseite der Membrane 15 sind dehnungsempfindliche Be reiche 16 und 17 integriert. Durch den örtlich begrenzten Einbau von Störstellen-Atomen werden Widerstandsfäden erzeugt, die ähnlich den konventionellen Dehnungsmeßstreifen als Meß widerstände dienen. In diesen dehnungsempfindlichen Bereichen 16 und 17 wird die Biegespannung infolge der Membrandehnung unter dem Einfluß einer von außen wirkenden Kraft in ein relativ hohes elektrisches Ausgangssignal umgeformt. Von der Unterseite her wird die Membrane durch Ätzprozesse geschaffen. Das in der Umgebung der Membrane verbleibende Silizium bildet seitliche Abstützungen 18 der Membrane. Die dehnungsempfind lichen Bereiche 16 und 17 sind mit Metallschichten 19 und 20 verbunden, an denen jeweils Drähte 21 und 22 angebondet sind, welche die elektrischen Signale zu einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung weiterleiten. Derartige Meßumformer sind als Drucksensoren z. B. aus dem Handbuch für Ingenieure: "Sensoren, Meßaufnehmer", 2. Ausgabe, erschienen 1988 im Expert-Verlag, bereits bekannt. An der Oberseite der Silizium- Membrane 15 ist über eine Metallschicht 23 mittig eine Feder 24 angebondet. Abhängig von ihren Abstands- oder Längenände rungen übt diese Feder 24 eine Kraft auf die Membrane 15 aus, die eine entsprechende Änderung des elektrischen Signals in den Drähten 21 und 22 bewirkt. Weiterhin ist auf der Unter seite der Membrane 16 über eine Metallschicht 25 eine zweite Feder 26 befestigt. Längen- oder Abstandsänderungen dieser Feder 26 wirken in die entgegengesetzte Richtung, so daß das abgegriffene elektrische Signal bei dieser Ankopplungsart der Differenz der mit den beiden Federn 24 und 26 eingekoppelten Längen- oder Abstandsänderungen entspricht. Wird ein handels üblicher Drucksensor entsprechend dem erfindungsgemäßen Meß umformer abgewandelt, so hängt die Dimensionierung der Federn 24 und 26 vom Nenndruckbereich des verwendeten Drucksensors ab. Geht man von einem Druckbereich von 10 bar und einer Silizium-Membranfläche von 1 mm² aus, so darf die auf die Silizium-Membrane 15 einwirkende Nennkraft ca. 1 N betragen. Erlaubt man Verformungswege der Meßfeder von 0,5 bis 1 mm, dann errechnet sich die erforderliche Federkonstante bei Verwendung einer einzelnen Feder zu cf = 0,5 bis 1 N/mm. Aufgrund der begrenzten Haftung von Bondungen sollten die Federn 24 und 26 die Silizium-Membrane 15 vorzugsweise nur auf Druck belasten.

Fig. 4 zeigt einen Kraftsensor, zu dem in Fig. 5 ein hori zontales Schnittbild dargestellt ist. Er enthält ein hohl zylindrisches Trageteil 27, mit dem er auf einem Gegenlager 28 gehalten wird. Koaxial zum Trageteil 27 ist ein im wesent lichen zylindrisches Krafteinleitungsteil angeordnet. Es be steht in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Scheiben 29 und 30, die über vier Bolzen 31, 32, 33 und 34 miteinander fest verbunden sind. Durch zwei koaxial hintereinander angeordnete Membranfedern 35 und 36 wird das Krafteinleitungsteil koaxial zum Trageteil 27 geführt. In den Zwischenraum zwischen den beiden Scheiben 29 und 30 ragt mittig eine Platte 37, die zur Befestigung eines Meßaufnehmers dient. Dargestellt sind das Gehäuse 38 des miniaturisierten Meßumformers sowie eine Feder 24, die an der oberen Scheibe 29 befestigt ist, und eine mit der unteren Scheibe 30 verbundene Feder 26. Die Bolzen 31, 32, 33 und 34 durchstoßen die Platte 37, ohne sie zu berühren, so daß das Krafteinleitungsteil gegenüber dieser Platte bei Kraft einwirkung beweglich ist. Diese Anordnung des Krafteinlei tungsteils, der Membranen 35 und 36 als Verformungsteil sowie des Trageteils zeichnet sich durch gute Unempfindlichkeit gegenüber Querkräften und Momenten aus. Diese Unempfindlich keit wird dadurch noch weiter gesteigert, daß der miniaturi sierte Meßumformer im Zentrum des Kraftsensors plaziert ist. Zudem bleiben Temperaturschwankungen ohne Einfluß auf das Meßergebnis, wenn sich der Meßumformer exakt im Symmetriepunkt des Kraftsensors befindet, da sie eine gleichsinnige Abstands änderung an den Federn 24 und 26 verursachen, im Meßumformer jedoch aufgrund der Differenzbildung nur gegensinnig das abgegebene elektrische Signal verändern. Durch die Federn 24 und 26 ist eine Kompensation von Relaxationserscheinungen des Verformungsteils möglich. Dazu müssen die Federn 24 und 26 so ausgewählt werden, daß sie nach Betrag und Zeitkonstante die gleiche Relaxation wie das Verformungsteil aufweisen. Auch der Temperaturgang des Elastizitätsmoduls kann durch die Federn 24 und 26 auf diese Weise ausgeglichen werden. Dieser Effekt ist unabhängig vom Verhältnis der Federkonstanten von Verformungs teil und Federn.

Claims

1. Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, insbe sondere in einem Kraftsensor,

- mit einem miniaturisierten mechanisch/elektrischen Meß umformer und
- mit einer Feder (3), die mit dem miniaturisierten mecha nisch/elektrischen Meßumformer verbunden ist und in Ab hängigkeit von der Längen- oder Abstandsänderung eine auf den mechanisch/elektrischen Meßumformer wirkende mechanische Größe verändert, so daß der mechanisch/elektrische Meß umformer ein elektrisches Signal abgibt, das der zu messen den Längen- oder Abstandsänderung entspricht.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet,

- daß die mechanische Größe eine Kraft ist.

3. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Feder (3) mit einer Überlastsicherung (4) versehen ist, die verhindert, daß die mechanische Größe einen zu lässigen Grenzwert überschreitet.

4. Meßaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß der miniaturisierte mechanisch/elektrische Meßumformer eine aus Halbleitermaterial gefertigte Parallelogrammfeder (1, 2) ist, in deren Verformungszonen sich Bereiche (11, 12, 13, 14) befinden, die in Abhängigkeit von der Dehnung ihre elektrische Eigenschaft verändern.

5. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet,

- daß der miniaturisierte mechanisch/elektrische Meßaufnehmer eine aus Halbleitermaterial gefertigte Membrane (15) ist, in deren Verformungszonen sich Bereiche (16, 17) befinden, die in Abhängigkeit von der Dehnung ihre elektrische Eigen schaft verändern.

6. Meßaufnehmer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Halbleitermaterial Silizium ist.

7. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da durch gekennzeichnet,

- daß die Bereiche mit Fremdatomen dotiert sind und die elektrische Eigenschaft ihr Widerstand ist.

8. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da durch gekennzeichnet,

- daß die Feder zur Krafteinleitung an dem Halbleitermaterial angebondet ist.

9. Verwendung eines Meßaufnehmers nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftsensor,

- mit einem Krafteinleitungsteil zur Einleitung der zu mes senden Kraft (F),
- mit einem Trageteil (27), mit dem der Kraftsensor auf einem Gegenlager (28) gehalten wird, und
- mit mindestens einem elastischen Verformungsteil (35, 36), welches das Krafteinleitungsteil mit dem Trageteil (27) verbindet, so daß sich in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft (F) die relative Lage des Kraftein leitungsteils zum Trageteil (27) und die Form des Ver formungsteils (35, 36) verändern,
- wobei mindestens ein Meßaufnehmer an jeweils zwei Punkten befestigt ist, die ihre relative Lage zueinander in Ab hängigkeit von der zu messenden Kraft (F) verändern, so daß das abgegebene elektrische Signal der zu messenden Kraft (F) entspricht.

10. Verwendung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet,

- daß zwei Meßaufnehmer vorhanden sind, deren Befestigungs punkte derart gewählt sind, daß sie im unbelasteten Zustand jeweils in gleichem Abstand liegen und bei Belastung sich die Abstände in entgegengesetzter Richtung verändern, so daß die Differenz der von beiden Meßaufnehmern abgegebenen elektrischen Signale der zu messenden Kraft (F) entspricht.

11. Verwendung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet,

- daß ein Meßaufnehmer vorhanden ist mit einer zweiten Feder, die mit dem miniaturisierten mechanisch/elektrischen Meß umformer verbunden ist und in Abhängigkeit von einer zweiten Längen- oder Abstandsänderung eine zweite auf den mecha nisch/elektrischen Meßumformer wirkende mechanische Größe verändert, wobei der zweite Befestigungspunkt der zweiten Feder so gewählt ist, daß die beiden Abstände im unbelaste ten Zustand gleich sind und bei Belastung sich in entgegen gesetzter Richtung verändert und der miniaturisierte mecha nisch/elektrische Meßumformer ein elektrisches Signal ab gibt, das der zu messenden Kraft (F) entspricht.

12. Verwendung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 11, da durch gekennzeichnet,

- daß der Kraftsensor symmetrisch ist und
- daß der miniaturisierte mechanisch/elektrische Meßumformer sich auf der Symmetrieachse befindet.

13. Verwendung eines Meßaufnehmers nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Trageteil (27) ein Hohlzylinder ist und
- daß das Krafteinleitungsteil ein Zylinder ist, der durch das Verformungsteil (35, 36) koaxial im Innern des Trage teils (27) gehalten wird und bei Einwirkung einer zu mes senden Kraft (F) in axialer Richtung ausgelenkt wird.

14. Verwendung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 13, da durch gekennzeichnet,

- daß das Verformungsteil aus zwei Membranen (35, 36) gebildet ist, die koaxial zum Trageteil (27) hintereinander angeord net sind.

15. Verwendung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 14, da durch gekennzeichnet,

- daß mindestens eine Membrane eine koaxiale, ringförmige Erhebung aufweist, die in den Raum zwischen den beiden Membranen hineinragt, und
- daß der mindestens eine Meßaufnehmer auf einer Erhebung der Membranen und dem Krafteinleitungsteil oder dem Trage teil derart befestigt ist, daß er die radiale Abstands änderung aufgrund der Kippbewegung der Erhebung bei Be lastung erfaßt.

16. Verwendung eines Meßaufnehmers nach Anspruch 14, da durch gekennzeichnet,

- daß das Krafteinleitungsteil eine Ausnehmung aufweist, in die ein mit dem Trageteil (27) verbundenes Befestigungs element (37) hineinragt, und
- daß der mindestens eine Meßaufnehmer derart am Befestigungs element (37) und am Krafteinleitungsteil befestigt ist, daß er die Abstandsänderung in axialer Richtung erfaßt.