DE69819193T2

DE69819193T2 - Dehnungsmessstreifen und dessen anwendungen

Info

Publication number: DE69819193T2
Application number: DE69819193T
Authority: DE
Inventors: Nicolay M. Chimki VOLODIN; Pavel Miodushevsky; Vladimir V. Kaminsky
Original assignee: Powerco SpA
Current assignee: Powerco SpA
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: IT1295848B1; KR20010031771A; IL135909A0; CN1278329A; AU6115098A; CA2307502C; ES2209115T3; DE69819193D1; AU744856B2; CN1144030C; JP3523193B2; JP2001522990A; EP1029225A1; EP1029225B1; ITRM970679A1; IL135909A; KR100414516B1; CA2307502A1; HK1032258A1; WO1999024804A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen des Typs, der aus Halbleitermaterial besteht und der mechanisch an einem empfindlichen Element angebracht werden kann, das Verformung ausgesetzt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Anwendungen des Dehnungsmessstreifens, insbesondere an elektrischen dehnungsmessempfindlichen Elementen, Messgeräte und zugehörige Kalibrierverfahren, Druckwaagen und Druckwandler.
Bekanntermaßen werden Dehnungsmessstreifen (wie in EP-A-0602 beschrieben) verbreitet verwendet, um dynamische Verformungen zu messen sowie um indirekt Kräfte, wie zum Beispiel Gewichte, Drücke und andere Kräfte, die solche Verformung in einem besonderen Träger verursachen, zu messen. Zu diesem Zweck werden sie elektrisch als Wheatstonebrücke montiert, um den Einfluss von Temperaturschwankungen in den Dehnungsmessstreifen zu begrenzen.
Die Wheatstonebrücke wird an zwei entgegengesetzten Enden durch eine Bezugsspannung erregt; die Verformung bewirkt eine Längenänderung des Dehnungsmessstreifens mit einer entsprechenden Änderung des zugehörigen elektrischen Widerstandswertes. An den anderen gegenüberliegenden Enden der Brücke wird ein Signal detektiert, das aus einer elektrischen Spannung besteht, die im Wesentlichen der eingetretenen Verformung entspricht.
Das Signal stellt die Kraft dar, die die Verformung des empfindlichen Elements verursacht hat.
Bei bekannten Streifen bestehen jedoch bestimmte Probleme, die ihre Einsetzbarkeit beachtlich einschränken.
Insbesondere erzeugen sie ein Signal, das nicht größer ist als 2–3 mV/V in Bezug auf die Erregerspannung. Weiterhin ist der von ihnen bereitgestellte elektrische Wiederstand zu niedrig, was zu einem beachtlichen Energieverlust führt, und sie müssen in komplexen Konfigurationen montiert werden, die eine Reihe von Widerständen für Kalibrierung und Steuerung des Temperatureinflusses vorsehen.
Um die genannten Probleme wenigstens teilweise zu vermeiden, wurden Dehnungsmessstreifen auf der Grundlage von Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Silizium, bereitgestellt, die es normalerweise ermöglichen, ein größeres Ausgangssignal zu erhalten.
Diese Art von Streifen sind zwar empfindlicher, werden jedoch in beachtlichem Maß Temperatureinflüssen unterworfen, so dass Streifen dieser Art unter äußerst kontrollierten Bedingungen verwendet werden können, wie zum Beispiel in Physiklabors und ähnlichem.
Weiterhin kann ein Dehnungsmessstreifen auf der Grundlage bekannten Halbleitermaterials verwendet werden, um Verformungen zu messen, die in sehr begrenzte Bereiche fallen.
Die wichtigsten Arten der wirtschaftlichen Verwertung, wie zum Beispiel in Verbindung mit der Gewichtsbestimmung im Einzelhandelsverkauf von Waren und Erzeugnissen, sind daher für diese Art Dehnungsmessstreifen ausgeschlossen, wie auch alle anderen Formen der Anwendung im Freien oder in Umgebungen ohne Temperaturregelung. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, einen Dehnungsmessstreifen bereitzustellen, der in der Lage ist, die in Bezug auf den Stand der Technik genannten Nachteile zu überwinden.
Dieses Problem wird mit einem wie oben ausgeführten Dehnungsmessstreifen überwunden, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial Samarium-Monosulfid ist. Der wichtigste Vorteil des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifens liegt in dem Umstand begründet, dass er eine hervorragende Leistung in Bezug auf Genauigkeit und Empfindlichkeit bietet, ohne empfindlich gegenüber Temperatureinflüssen zu sein, und dass er für einen breiten Bereich von Verformungen geeignet und damit gut wirtschaftlich verwertbar ist.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf eine Reihe bevorzugter Ausführungsbeispiele derselben beschrieben, die lediglich als nichteinschränkendes Beispiel angeführt werden. Es wird wie folgt auf die Figuren in den anhängenden Zeichnungen verwiesen:
1 zeigt eine isometrische Draufsicht eines empfindlichen Elements, das einen erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen enthält.
2 zeigt in Verbindung mit 1 die Rückseite des empfindlichen Elements.
3 zeigt den elektrischen Schaltplan für die Dehnungsmessstreifen aus 1.
4 zeigt ein Detail des empfindlichen Elements aus 1 in einer Querschnittdarstellung entlang der Linie X-X.
5 zeigt eine Draufsicht einer Waage, die den Träger aus 1 beinhaltet.
6 zeigt eine Draufsicht eines Druckwandlers, der erfindungsgemäße Dehnungsmessstreifen enthält; und
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung des empfindlichen Elements.
Unter besonderer Bezugnahme auf 1 wird ein empfindliches elektrisches Dehnungsmesselement als Ganzes mit E bezeichnet. Dabei handelt es sich um die Ausführung, die normalerweise in Messgeräten, wie zum Beispiel Waagen und ähnliche, beinhaltet ist.
Er umfasst einen elastisch verformbaren Träger 1 im Wesentlichen in der Form eines Biegestabes mit einem rechteckigen Querschnitt, der ein freies Ende 2 hat, das in der Lage ist, sich unter Beanspruchung durch eine zu messende Kraft, wie zum Beispiel ein Gewicht, zu biegen, und ein feststehendes Ende 3.
Wie weiter unten ausführlicher beschrieben werden wird, ist der Träger 1 so beschaffen, dass er mit Dehnungssensoren in Form von Dehnungsmessstreifen verbunden werden kann.
Der Träger 1 hat ein Paar erster und zweiter Durchgangslöcher, von denen das am nahesten an dem freien Ende 2 gelegene mit 4 bezeichnet wird und das am nahesten an dem feststehenden Ende 3 befindliche mit 5 bezeichnet wird, die einen kreisförmigen Querschnitt haben.
Die Löcher 4, 5 haben eine parallele Symmetrieachse, beide rechtwinklig zu dem Träger 1, und sind im Wesentlichen entlang des Trägers 1 in vorgeschriebenen Abständen von den jeweiligen Enden 2, 3 ausgerichtet.
Der Durchmesser der Löcher ist vergleichbar mit der Dicke des Trägers 1, der entsprechend eines jeden der Löcher 4, 5 einen schmalen oberen Abschnitt 6 und einen schmalen unteren Abschnitt 7 hat. Alle vier schmalen Abschnitte haben die gleiche Mindestdicke.
Der Träger 1 hat auch einen Durchgangsschlitz 8, der die Löcher 4, 5 verbindet. Der Schlitz hat eine parallele Ausbildung in Bezug auf den Träger 1 entlang seiner Symmetrielängsachse.
Der oben beschriebene Träger 1 kann in einem Stück aus einem Stab elastischen Materials, wie zum Beispiel Stahl, ausgebildet werden.
Infolge der Geometrie des empfindlichen Elements (E) und da der Träger 1 an dem feststehenden Ende 3 in ein Regal eingreifen kann, wird sich das Element E im Wesentlichen in die Form eines S verbiegen, wenn eine Kraft rechtwinklig auf das Element E entsprechend dem freien Ende 2 des Trägers 1 aufgebracht wird. Der schmale obere Abschnitt 6 des ersten Loches 4 und der schmale untere Abschnitt 7 des zweiten Loches 5 sind der gleichen Spannung unterworten, wohingegen der schmale untere Abschnitt 7 des ersten Loches 4 und der schmale obere Abschnitt 6 des zweiten Loches 5 einer äquivalenten Stauchung unterworten sind.
Der Träger 1, der üblicherweise aus Metall besteht, ist mit einer isolierenden Schicht 9 überzogen, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus SiO besteht. Die Schicht 9 kann vor Ort abgeschieden werden, zum Beispiel mittels eines bekannten CVD-Verfahrens. Bei Verwendung dieses Verfahrens kann eine optimale Dicke der isolierenden Schicht 9 erzielt werden, die wenigstens in dem Bereich möglicher Verformung, Stauchung oder Zugbeanspruchung mechanisch an dem Träger 1 verankert bleiben muss und die sich demzufolge zusammen mit diesem verformen muss.
Die Dicke beträgt zwischen 0,5 μm und 10,0 μm und vorzugsweise etwa 5,0 μm. Entsprechend den schmalen Abschnitten 6, 7 und in Symmetrie mit den Stellen größter Verformung weist der Träger 1 jeweilige Dehnungsmessstreifen auf, wobei der an dem oberen schmalen Abschnitt 6 des ersten Loches 4 mit 10a bezeichnet wird und wobei der an dem oberen schmalen Abschnitt 6 des zweiten Loches 5 mit 10b bezeichnet wird und wobei der an dem unteren schmalen Abschnitt des zweiten Loches 5 mit 10c bezeichnet wird und wobei der an dem unteren schmalen Abschnitt des ersten Loches 4 mit 10d bezeichnet wird.
Die Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d bestehen aus Halbleitermaterial. Sie sind so beschaffen, dass sie während der Verformung der isolierenden Schicht 9 an derselben verankert bleiben. Diese Verankerung bewirkt eine entsprechende Längsverformung der Streifen 10a bis 10d, wobei sich dieser entweder dehnt oder zusammenzieht, was wiederum eine Veränderung des Wertes des elektrischen Widerstandes der Streifen 10a bis 10d bewirkt.
Bei den erfindungsgemäßen Streifen 10a bis 10d umfasst das Halbleitermaterial Samarium-Monosulfid, das nachfolgend kurz als SmS bezeichnet wird.
Jeder der Streifen 10a bis 10d hat eine im Wesentlichen rechtwinklige Form, die sich in der Richtung des Trägers 1 erstreckt. Die Streifen sind symmetrisch an dem Punkt größter Dicke angeordnet, wo die größte Verformung auftritt.
Mit anderen Worten stimmen die elektrischen Achsen eines jeden der Streifen 10a bis 10d, das heißt der Mittelpunkt, an dem der von dort zu einem der Enden gemessene Widerstand gleich dem von dort zum jeweils anderen Ende gemessenen Widerstand ist, mit der mechanischen Verformungsachse überein, das heißt mit der Achse, entlang der Verformung eines jeden schmalen Abschnittes 6, 7 symmetrisch ist.
Die Dicke eines jeden Streifens liegt im Mikrometerbereich und kann insbesondere zwischen 0,5 μm und 1,0 μm und vorzugsweise etwa 0,7 μm betragen.
Das SmS kann als polykristalline Struktur oder als im Wesentlichen monokristalline Struktur direkt auf die isolierende Schicht 9 abgeschieden werden (4).
Die Streifen mit einer SmS-Trägerschicht sind für Längsverformung geeignet, die ihren Widerstand verändert und das Ausgangssignal bereitstellt, das proportional zu einem sogenannten Empfindlichkeitsfaktor K ist, der wie folgt beschrieben wird: K = δR/ε*Rwobei:

δR = Änderung des Messwiderstandes
ε = Messwiderstand
R = Dehnung.

In den polykristallinen SmS-Streifen kann K einen Wert von über 50 annehmen. Dieser Wert kann sogar 100 erreichen.
In den im Wesentlichen monokristallinen SmS-Streifen hat K einen Wert von etwa 250, also weitaus höher als ähnliche Dehnungsmessstreifen auf Basis eines anderen Halbleitermaterials. Dies macht es möglich, eine Messgenauigkeit von 0,005% zu erreichen. In dem Fall von SMS bleibt dieser K-Wert über einen äußerst breiten Bereich von ε von bis zu 3,10^–3 unverändert, so dass die Reaktion eines jeden der Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d im Wesentlichen linear verläuft.
Weiterhin ändert sich K über einen äußerst breiten Temperaturbereich, wie zum Beispiel zwischen –50°C und +50°C, nicht spürbar, so dass die Streifen in nichtklimatisierten Umgebungen verwendet werden können.
Unter Bezugnahme auf 3 sind die vier Streifen 10a, 10b, 10c und 10d gemäß einer ersten Wheatstonebrücken-Anordnung, die als Ganzes mit 11 bezeichnet wird, elektrisch miteinander verbunden.
Zu diesem Zweck ist jeder der Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d mittels eines Leiterstreifens 12 mit dem jeweils danebenliegenden verbunden.
Der Leiterstreifen 12 wird durch chemische Aufdampfung (CVD) einer Schicht aus Halbleitermaterial, vorzugsweise auf Basis von Nickel oder Kobalt, ausgeformt, die im We sentlichen einen Kontaktwiderstand von Null aufweist und problemlos mit einem Leiterdraht, zum Beispiel aus Kupfer, verbunden werden kann.
Es wird vorausgesetzt, dass die Verbindung zwischen dem Leiterstreifen 12 und der isolierenden Schicht 9 eine beachtliche mechanische Zuverlässigkeit hat, so dass sie der Deformation des Trägers 1 folgt (4).
Die erste Brücke 11, wie in 1 bis 3 dargestellt, wird an zwei gegenüberliegenden Enden, die als die Erregungsenden bekannt sind und mit 13 bezeichnet werden, insbesondere die zwischen 10b und 10c sowie zwischen 10a und 10d, einer Erregerspannung V_exc ausgesetzt. Wenn das Element E einer Beanspruchung ausgesetzt wird, die bewirkt, dass es sich wie oben beschrieben in die Form eines S biegt, werden die Streifen 10a und 10c gedehnt, wohingegen die Streifen 10b und 10d gestaucht werden. Unter statischen Bedingungen, bei Null-Verformung, ist die Brücke 11 perfekt ausgeglichen, und zwischen den anderen gegenüberliegenden Enden, die als Detektionsenden bekannt sind und mit 14 bezeichnet werden, insbesondere den Enden zwischen 10a und 10b sowie zwischen 10c und 10d, liegt keine Spannung an.
Wenn Verformung stattfindet, ist die Brücke elektrisch unausgeglichen. An den Detektionsenden 14 wird ein elektrisches Signal erzeugt, das aus einer Spannung V_out entsprechend der Verformung und der Kraft, der der Träger 1 ausgesetzt ist und die die Verformung verursacht hat, besteht.
Das Ausgangssignal V_out ist signifikant hoch in der Größenordnung von etwa 50 mV/V in Bezug auf die Erregerspannung V_exc.
Der Gesamtwiderstand der Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d kann innerhalb eines Bereiches zwischen 200 Ω und 500.000 Ω verändert werden, wodurch die Verlustenergie verringert wird und auch ohne Verstärkung ein sehr hohes Ausgangssignal empfangen wird. Der reduzierte Energieverbrauch ermöglicht die Anwendung von normalen Einwegbatterien und/oder von wiederaufladbaren Batterien zur Erregung der Wheatstonebrücke.
Weiterhin stellt das empfindliche Element E fortgesetzt eine konstante Betriebsqualität bereit, und zwar auch dann, wenn es einer intensiven Kernstrahlung ausgesetzt wird, wie zum Beispiel Gammastrahlen einer Intensität von 10¹⁰ Röntgen.
Ebenso wie die vorstehenden physischen Merkmale kann das oben beschriebene empfindliche Element E vorteilhafterweise einem Kalibrierverfahren unterzogen werden, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben werden wird.
Eine dünne Schicht eines polykristallinen oder monokristallinen Halbleitermaterials auf SmS-Basis kann einer Umwandlung unterzogen werden, die eine Phase erzeugt, die im Wesentlichen wie ein Metall wirkt, das heißt bei der der elektrische Widerstand des umgewandelten Materials eher typisch für ein Metall (sehr niedrig) als für ein Halbleitermaterial ist.
Es ist beobachtet worden, dass SmS einer effektiven Umwandlung unterliegt, wenn es örtlich einem Druck von weniger als 30 kbar, das heißt von etwa 20 kbar, ausgesetzt wird, also einem Druck, der durch manuelles Reiben erzielt wird. Dieser Effekt kann vorteilhafterweise unter Verwendung von Drücken von weniger als 10 kbar erzielt werden. Der Grund für dieses physikalische Merkmal liegt in dem Umstand begründet, dass bei den genannten örtlichen Druckwerten ein Anstieg der Dichte der Elektronen eintritt, die für das Phänomen der elektrischen Leitung bis zu 1,8·10²² cm^–3, dem typischen Wert für Metalle, verantwortlich sind.
Aus diesen Gründen wird die folgende Verfahrensweise angewandt.
Nach dem Positionieren des feststehenden Endes 3 des empfindlichen Elements E auf einer speziellen Spindel wird an dem freien Ende 2 eine bekannte Kalibrierkraft aufgebracht, wie zum Beispiel ein Gewicht oder eine bekannte Biegekraft.
Aufgrund dieser Kraft wird der Träger 1 verformt. Ein gegebenes elektrisches Signal wird erzeugt, das bequem gemessen und mit einem elektrischen Bezugssignal verglichen werden kann.
Nach Betrachtung der Differenz zwischen den beiden Signalen wird eine Phasenänderung an einem oder an mehreren der Streifen 10a bis 10d wie oben beschrieben er zeugt, das heißt eine Änderung von einer im Wesentlichen polykristallinen oder monokristallinen Phase zu einer Phase mit einem metallartigen Verhalten.
Diese Änderung wird bewirkt, indem ein vorbestimmter Druck T auf eine begrenzte Fläche F ausgeübt wird.
Der vorbestimmte Druck T wird durch Reiben ausgeübt und hat einen Wert von weniger als 30 kbar, vorzugsweise von etwa 20 kbar.
Die ausgewählte begrenzte Fläche nimmt aufgrund von Stauchung eine Dicke an, die gleich etwa 10% der ursprünglichen Dicke ist.
Die Position und die Abmessungen der begrenzten Fläche F können sorgfältig unter Verweis auf die Teilstriche 15 an den Rändern der Streifen 10a bis 10d ausgewählt werden.
Wie auch die Bündelung des Kalibriersignals und des Bezugssignals kann die Änderung vorteilhafterweise so durchgeführt werden, dass die elektrische Achse der einzelnen Streifen 10a bis 10d stets mit der jeweiligen mechanischen Verformungsachse übereinstimmt.
Diese Änderung ist im Falle von SmS besonders einfach. In der Tat haben die kristalline Phase und die Metallphase eine vollkommen unterschiedliche Farbe, und zwar Golden für die kristalline Phase und Bräunlich für die Metallphase.
Bei Betrieb von mehr als einem Streifen ist es weiterhin möglich, etwaiges durch Korrekturen an einem einzelnen Streifen entstandenes Ungleichgewicht auszugleichen.
Weiterhin ist die Phasenänderung dergestalt, dass praktisch ein Null-Widerstand an den Verbindungsstellen zwischen den Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d und den Leiterstreifen 12 aufrecht erhalten wird.
Vorteilhafterweise wird die Kalibrierung in Bezug auf eine bestimmte Temperatur durchgeführt. Zu diesem Zweck können die oben beschriebenen Tätigkeiten unter Bedingun gen kontrollierter Temperatur in einer in geeigneter Weise klimatisierten Umgebung durchgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nunmehr eine Waage 20 beschrieben werden, die das oben beschriebene empfindliche Element 1 enthält. Gleiche Teile wie die bereits veranschaulichten bzw. Teile mit gleichen Funktionen wie bereits veranschaulichte Teile erhalten dabei die gleiche Verweisziffer.
Die Waage 20 umfasst einen feststehenden Rahmen 21, der auf einer Auflagefläche A angeordnet werden kann, die über Regaleingriffvorrichtungen 22 verfügt, die mit dem feststehenden Ende 3 des empfindlichen Elements E verbunden sind.
An dem gegenüberliegenden freien Ende 2 ist eine Ladebühne 23 starr befestigt, die ein zu messendes Gewicht P tragen kann.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird neben dem genauen Gewicht der Verkaufspreis des Erzeugnisses des Gewichts P ermittelt.
Die Waage 20 hat an dem Element E Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d wie oben beschrieben. Diese sind bereits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibriert worden.
Die Streifen 10a bis 10d sind mittels einer Wheatstonebrücke 11 elektrisch verbunden. An den Erregungsenden 13 wird eine Erregerspannung V_exc angelegt.
Nachdem das Gewicht P auf der Platte 23 positioniert worden ist, wird das Element E einer elastischen Verformung unterzogen. Die Streifen 10a und 10c werden gedehnt, wohingegen die Streifen 10b und 10d gestaucht werden.
Die erste Brücke 11 ist somit unausgeglichen, und ein elektrisches Signal V_out wird erzeugt und entspricht im Wesentlichen dem Gewicht P.
Das Signal V_out wird von einem Empfänger 24 empfangen, der es an eine Vergleichsschaltung 25 überträgt, die ebenfalls die Erregerspannung V_exc erhält. Das resultieren de Signal wird an einen Analog/Digital-Wandler 26 weitergeleitet, der wiederum an einen Mikroprozessor 27 angeschlossen ist.
Der Mikroprozessor 27 empfängt Daten, wie zum Beispiel den Kilopreis oder die Warenart, von einer Tastatur 28 und erzeugt Ausgabewerte, wie zum Beispiel den Verkaufspreis, das detektierte Gewicht und ähnliche, die bei Empfang von einer Anzeigevorrichtung 29 abgelesen oder ausgedruckt werden können.
Dasselbe erfindungsgemäße Konzept kann ebenso auf eine andere Art Messgerät angewandt werden, wie zum Beispiel auf einen Druckwandler, in 6 mit 30 bezeichnet, um einen statischen Druck P' in einem Fluid, wie zum Beispiel Wasser oder Luft, zu messen.
In dem Wandler 30 sieht das empfindliche Element E einen elastisch verformbaren Membranträger 1 in Form der Endfläche eines Edelstahl-Zylinders 31 vor. In dem Zylinder 31, der in der Figur teilweise gezeigt wird, liegt ein bekannter Druck vor. Der zu messende Druck ist ein Differenzdruck oder relativer Druck.
Eine isolierende Schicht aus Glas oder Glimmer, die in 6 nicht gezeigt wird, wird auf beiden Flächen der Membran 1 bereitgestellt, an der die Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d verankert werden.
Die Dicke der isolierenden Schicht liegt vorteilhafterweise zwischen etwa 10 μm und 30 μm.
Die SmS-Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d werden mittels eine CVD-Verfahrens an der Schicht aus Glimmer bzw. Glas verankert. Die Glas- bzw. Glimmerschicht wird zusammen mit den Streifen 10a bis 10d an der Metallmembran 1 verklebt. Die SmS-Dehnungsmessstreifen 10a bis 10d können auch auf der isolierenden Schicht aus SiO abgeschieden werden, die analog zu der oben für das empfindliche Element E der Waage 20 beschriebenen Weise auf der Metallmembran 1 abgeschieden werden kann. Die Dehnungsmessstreifen 10a und 10d werden an der isolierenden Schicht angebracht und nach dem Anbringen der letztgenannten an der Membran 1 werden sie nahe der Kante 32 des Zylinders 21 angeordnet, das heißt an der Stelle größter Verformung. Der Streifen 10a wird infolge des Druckes P' gedehnt, wohingegen der Streifen 10d gestaucht wird.
Die Dehnungsmessstreifen 10b und 10c andererseits werden entsprechend der Achse C des Zylinders an der Stelle größter Krümmung der Membran 1 positioniert.
Die Streifen 10a bis 10d werden mittels einer Wheatstonebrücke wie oben beschrieben verbunden. Das dem Druck P' entsprechende elektrische Signal wird auf die gleiche Art und Weise wie für die Waage 20 erzeugt und verarbeitet.
Das oben beschriebene Kalibrierverfahren kann vorteilhafterweise auch für den Wandler 30 verwendet werden.
Bei Waagen oder Druckwandlern wie oben beschrieben wird die Brücke 11 selbst an eine Anhebe- und Messeinheit 40, die in 7 dargestellt wird, angeschlossen, um die erste Brücke 11 mit einem vollständigen Ausgleich der temperaturbedingten Wiederstandsänderung zu versehen.
Die Einheit 40 umfasst eine zweite Wheatstonebrücken-Anordnung 41, wobei die erste Brücke 11 eine ihrer vier Schultern darstellt.
Ein erster Kanal 42 der Messeinheit 40, die empfindlich gegenüber Belastung oder Druck ist, wird mit der freien Diagonalen der ersten Brücke 11 verbunden. Der Kanal 42 umfasst einen ersten Messverstärker 43.
Die übrigen Schultern der zweiten und externen Brücke 41 sind Widerstände 44, die genau arbeiten und eine hohe Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen haben. Die Widerstände 44 haben den gleichen Widerstandswert wie die erste Brücke 11. Ein temperaturempfindlicher Kanal 45 der Messeinheit 40 ist mit den freien Enden einer Diagonalen der externen Brücke 41 verbunden. Der Kanal 45 umfasst einen zweiten Messverstärker 46.
Beide Verstärker 43, 46 sind mit einem Multiplexer 47 verbunden, der mit einer Leitung 48 verbunden ist, die einen A/D-Wandler 49, einen Mikroprozessor 50, der mit einem Speicher 51 verbunden ist, eine Schnittstelle 52 und eine Computereinheit 53 umfasst. Der Multiplexer 47 und der Mikroprozessor 50 sind mit einer Stromversorgungs-Steuereinheit 54 verbunden.
Eine Erregereinheit 55, d. h. eine Stromversorgungseinheit, ist mit den freien Enden der anderen Diagonalen der externen Brücke 41 verbunden, wobei ein Erregersignal 56 bereitgestellt wird. Die Erregereinheit ist mit der Stromversorgungs-Steuereinheit 54 verbunden.
Während des Kalibrierverfahrens wird das empfindliche Element E in unbelastetem Zustand auf einen vorgegebenen Temperaturwert erwärmt.
Dabei wird die Temperaturänderung der ersten Brücke aufgezeichnet. Während der folgenden Messungen kann diese Kenngröße für Korrekturen verwendet werden.
Ebenso wie die oben genannten Vorteile ermöglicht der beschriebene Dehnungsmessstreifen die Herstellung empfindlicher Elemente, die in Bezug auf die Betriebstemperatur, die Geometrie des elastischen Trägers und die Biegeparameter besonders problemlos zu kalibrieren sind und bei denen die Übereinstimmung zwischen der elektrischen Achse eines jeden Streifens und der entsprechenden zugehörigen mechanischen Verformungsachse aufrecht erhalten werden kann.
Offensichtlich wird die Kalibrierung auch durch den Umstand erleichtert, dass eine rasche Detektion der Änderung von Kenngrößen eines jeden Streifens erfolgt, was durch die Änderung der Farbe desselben angezeigt wird.
Der oben beschriebene Dehnungsmessstreifen und die zugehörigen Anwendungen können durch den Durchschnittsfachmann weiter verändert und angepasst werden, um zusätzliche Forderungen zu erfüllen, ohne dass dadurch von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß Definition in den anhängenden Ansprüchen abgewichen würde.

Claims

Dehnungsmessstreifen (10a), hergestellt unter Verwendung eines Halbleitermaterials des Typs, der mechanisch an einem Träger (1) angebracht werden kann, der Verformung ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial Samarium-Monosulfid ist.
Dehnungsmessstreifen (10a) nach Anspruch 1, der eine Dicke zwischen 0,5 μm und 1 μm hat.
Dehnungsmessstreifen (10a) nach Anspruch 2, wobei die Dicke ungefähr 0,7 μm beträgt.
Dehnungsmessstreifen (10a) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Samarium-Monosulfid monokristallin ist.
Empfindliches elektrisches Dehnungsmesselement (E) insbesondere für Messinstrumente (20, 30), des Typs, der einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) umfasst, die aus Halbleitermaterial bestehen, das mit einem elastisch verformbaren Träger (1) verbunden ist, der einer zu messenden Kraft (P, P') ausgesetzt werden kann, und die elektrisch miteinander verbunden sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das der Kraft entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial Samarium-Monosulfid ist.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 5, wobei der eine oder die mehreren Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) eine Dicke zwischen 0,5 μm und 1 μm haben.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 6, wobei die Dicke ungefähr 0,7 μm beträgt.
Empfindliches Element (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Samarium-Monosulfid monokristallin ist.
Empfindliches Element (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das eine isolierende Schicht (9) zwischen dem Träger (1) und den Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) aufweist.
Empfindliches Element (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das vier Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) aufweist, die elektrisch zusammengesetzt sind, so dass eine Wheatstonebrücken-Anordnung (11) entsteht.
Empfindliches Element (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der eine oder die mehreren Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) an den Punkten maximaler Verformung und/oder Krümmung (6, 7, 32, A) des Trägers (1) angeordnet sind.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 9, wobei die isolierende Schicht aus SiO besteht.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 12, wobei das SiO mit einem CVD-Verfahren abgeschieden wird.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 10, wobei die Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) elektrisch mittels Leiterstreifen (12) zusammengesetzt werden, die mittels Nickel- und/oder Kobaltabscheidung ausgebildet werden.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 11, wobei die Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) so angeordnet sind, dass ihre elektrische Achse mit der mechanischen Achse der Verformung des Trägers (1) zusammenfällt.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 15, wobei der Träger (1) die Form einer länglichen Leiste mit einem rechteckigen Querschnitt hat, die ein Paar Durchgangslöcher (4, 5) mit kreisförmigem Querschnitt, dem gleichen Durchmesser und zueinander parallel liegenden Achsen aufweist, die so angeordnet sind, dass sie obere (6) und untere (7) dünne Abschnitte der gleichen Dicke bilden, wobei der Träger (1) des Weiteren einen Durchgangsschlitz (8) umfasst, der parallel zu dem Träger (1) entlang seiner Längsachse verläuft, wodurch die zwei Durchgangslöcher (4, 5) in Verbindung miteinander gebracht werden, wobei die dünnen Abschnitte (6, 7) die mechanischen Achsen der Verformung bestimmen.
Empfindliches Element (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der elastisch verformbare Träger eine Membran (1) ist, die den Verschluss eines Zylinders (31) bildet.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 17, wobei die Membran (1) mit einer isolierenden Schicht überzogen ist, die aus Glas oder Glimmer besteht.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 18, wobei die isolierende Schicht eine Dicke zwischen 10 μm und 30 μm hat.
Empfindliches Element (E) nach Anspruch 10, wobei die erste Wheatstonebrücken-Anordnung (11) eine der Seiten einer zweiten Wheatstonebrücken-Anordnung (41) ist, wobei die anderen Seiten Widerstände (44) mit dem gleichen Widerstandswert wie dem der ersten Wheatstonebrücken-Anordnung (11) sind, vorausgesetzt, dass eine Erregereinheit (55) mit den freien Enden einer Diagonale der zweiten Wheatstonebrücken-Anordnung (41) verbunden ist, ein last- oder druckempfindlicher Kanal (42) mit der freien Diagonale der ersten Wheatstonebrücken-Anordnung (11) verbunden ist und ein temperaturempfindlicher Kanal (45) mit den freien Enden der anderen Diagonale der zweiten Wheatstone-Anordnung (41) verbunden ist.
Verfahren zum Kalibrieren des empfindlichen Elementes (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Vorgänge umfasst: – Ausüben einer Kalibrierkraft auf das Messinstrument; – Beobachten des erzeugten elektrischen Signals; – Bewirken einer Phasenänderung von einer im Wesentlichen kristallinen Phase zu einer Phase mit einem metallartigen Verhalten in einem oder mehreren der Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d) durch Ausüben eines vorgegebenen Drucks (T) auf einen örtlich begrenzten Abschnitt (F) des einen oder der mehreren Dehnungsmessstreifen (10a, 10b, 10c, 10d), wobei der örtlich begrenzte Abschnitt (F) eine Größe und eine Position hat, die durch die Differenz zwischen dem erzeugten elektrischen Signal und einem Bezugssignal bestimmt wird.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 21, wobei der bestimmte Druck einen Wert hat, der 30 kbar nicht übersteigt.
Kalibrierverfahren nach Anspruch 22, wobei der vorgegebene Druck durch Reiben ausgeübt wird.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei, wenn der vorgegebene Druck ausgeübt wird, die Dicke des Dehnungsmessstreifens (10a, 10b, 10c, 10d) in dem örtlich begrenzten Abschnitt (F) verringert wird, bis sie 10% der ursprünglichen Dicke beträgt.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei, wenn der vorgegebene Druck ausgeübt wird, die Farbe des Dehnungsmessstreifens (10a, 10b, 10c, 10d) in dem örtlich begrenzten Abschnitt (F) von Golden zu Dunkelbraun verändert wird.
Kalibrierverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei die Vorgänge bei gesteuerten Temperaturbedingungen ausgeführt werden.
Skala (20) des Typs, der eine Messdose (23) umfasst, die in der Lage ist, zu wägendes Material und/oder Objekte aufzunehmen und mechanisch mit einem oder mehreren empfindlichen Elementen (E) nach einem der Ansprüche 5 bis 16 verbunden ist.
Druckwandler (30) des Typs, der ein oder mehrere empfindliche Elemente (E) nach einem der Ansprüche 17 bis 20 umfasst.