DK161215B - Belastningscelle og fremgangsmaade til fremstilling heraf - Google Patents

Description

DK 161215 8 i

Opfindelsen angår en belastningscelle af den i krav l's indledning angivne art og en fremgangsmåde til fremstilling af denne.

5

En belastningscelle har et antal modstande udformet på spændingsfrembringende sektioner af et bjælkelegeme, og en belastning fastgjort til bjælkelegemet vejes ved at gøre brug af den kendsgerning, at modstandens værdi 10 ændres i overensstemmelse med spændingen, som frembringes i den spændingsfrembringende sektion på det tidspunkt, hvor belastningen anbringes på bjælkelegemet. Det har hidtil været kendt at udforme en belastningscelle ved at klæbe en metalfolie af constantan, nicrom, o.s.v. til en 15 isolerende film af hvert materiale såsom polyimid eller epoxyharpiks, ved passende at ætse metalfolien til dannelse af et modstandsmønster for derved at danne et belastningscelleelement og klæbe det således dannede belastningscelleelement til bjælkelegemets spændings-20 frembringende sektion. Denne tidligere kendte frem stilling af en belastningscelle kræver imidlertid et antal trin. Især kræver trinnet med at klæbe belastningscelleelementet til bjælkeelementet nøje proceskontrol, og også automatisering og masseproduktion er 25 vanskelig og giver således anledning til en høj pris.

Tilmed er der en nedre grænse for tykkelsen af den isolerende film, som kan opnås, således at det er vanskeligt at opnå, at den spænding, som frembringes af bjælkelegemets spændingsfrembringende sektion overføres 30 med høj effektivitet til modstandene, hvilket således fører til målefejl. Selvom samme modstandsmønster er udformet med metalfolien, er det desuden vanskeligt at forme metalfolien tilstrækkelig tynd og opnå modstande med stor modstandsværdi. Derfor bruges høj effekt ved 35 måletidspunktet, og dette høje effektforbrug er ledsaget af en høj varmefrembringelse samtidig med målingen, således at der er nødvendigt med temperaturkompensation.

DK 161215 B

2

Mange af ulemperne ved den tidligere kendte teknik er blevet overvundet ved at anvende tyndfilm teknik til at aflejre tynde lag, som udgør modstandene, direkte på det bærende substrat ved fordampning eller katodeforstøvning.

5 Denne fremgangsmåde til at opnå spændingsmålende transducere er blevet udviklet i de seneste år og er blevet beskrevet i et tidsskrift af K. Bethe og D. Schøn betegnet "Thin-film stain-gauge transducers" publiseret i Philips Tech. Rev., bind 39, nr. 3/4 1980, siderne 94-10 101. På overfladen af substratet er der fremstillet en tynd isolerende film, hvorpå et modstandslag og et ledende guldlag er påført ved katodeforstøvning. Bromønstret i modstandsfilmen og i guldfilmen er fremstillet i to fotolitografiske trin. Trimningen for symmetri af en 15 således fremstillet Wheatstone bro udføres ved at bortbrænde strain-gaugnes materiale fra modstandsfilmen med laser, indtil broen er balanceret. Temperaturens indflydelse på strain-gauges modstand er gjort tilstrækkelig lille ved at udgløde elementerne ved omkring 20 300 °C.

------ I nogle tilfælde kan en tilfredsstillende uafhængighed af temperaturpåvirkninger imidlertid ikke opnås ved udglødning eller lignende.

25 I EP-A1-18 013 er der beskrevet en strain-gauge af sædvanlig type, d.v.s. med en plastfolie, som er klæbet til substratet og bæremodstandslagene. Folien bærer modstande i serie med broens strain gauges, idet de har 30 en forskellig modstandsværdi end sidstnævnte og kompen serer for temperaturvirkninger.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en belastningscelle af den avancerede type, d.v.s. med tyndfilm 35 umiddelbart påført substratet, hvorved temperaturaf- hængigheden af modstandskonfigurationen kan nedsættes effektivt.

3

DK 161215 B

I én udførelsesform ifølge opfindelsen er der tilvejebragt en belastningscelle af den i krav 1' s indledning angivne art, som er blevet baseret på ovennævnte tidsskrift af K. Bethe og D. SchOn. Ifølge opfindelsen er en 5 belastningscelle af denne art ejendommelig ved det i krav l's kendetegnende del angivne.

I stedet for at ændre egenskaberne ved modstandsmaterialet ved udglødning er der anvendt to forskellige 10 modstandsmaterialer, som har forskellige resistiviteter og samvirker til at nedsætte temperaturpåvirkningen på broens udgangssignal. Problemet er, hvorledes disse forskellige modstandsmaterialer påføres, og dette er løst ved at påføre to modstandslag og et ledende lag over 15 hinanden, hvorved den avancerede struktur kan opnås relativ let og på en måde, som kan udøves i en industriel målestok.

Yderligere hensigtsmæssige udførelsesformer ifølge opfin-20 delsen opnås ved det i krav 2-8 angivne.

Opfindelsen angår desuden en fremgangsmåde til fremstilling af belastningscellen ifølge krav 1, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved det i krav 9's kende-25 tegnende del angivne.

Yderligere aspekter ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er angivet i krav 10-15.

30 Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, hvorpå: fig. 1 er et skematisk perspektivisk billede, som viser tyndfilm teknikken i en udførelsesform for en kendt 35 belastningscelle,

. DK 161215B

4 fig. 2 er et snitbillede af samme belastningscelle i en tilstand, hvori den bærer en påført belastning, fig. 3 er et kredsløbsdiagram, som viser et ækvivalent kredsløb for den i fig. 1 viste belastningscelle, 5 fig. 4A til 4E er snitbilleder, som viser en fremgangsmå de til fremstilling af den i fig. 1 viste belastningscelle, fig. 5 er et billede, som viser en anden fremgangsmåde til fremstilling af belastningscellen i fig. 1, . fig. 6 er et billede, som viser udseendet af en anden ud- 10 førelsesform for en kendt belastningscelle, fig. 7 er et kredsløbsdiagram, som viser et ækvivalent kredsløb for belastningscellen i fig. 6, fig. 8 er et skematisk perspektivisk billede, som viser en udførelsesform for en belastningscellé ifølge opfin-15 delsen, fig. 9 er et snitbillede, som viser belastningscellen i fig. 8, når en belastning er anbragt, fig, 10 er et kredsløbsdiagram, som viser et ækvivalent kredsløb for belastningscellen i fig. 8, 20 fig. 11 til 13 er grafiske afbildninger, som viser udgangsspændingen som funktion af temperaturen, fig. 14A til 14G er snitbilleder, som viser en metode til fremstilling af belastningscellen, som er vist i fig. 8, og 25 fig. 15A og 15B er billeder, som viser en fremgangsmåde til fremstilling af belastningscellen i fig. 8.

5 DK 161215 B

Fig. 1 viser et skematisk perspektivisk billede af en udførelsesform for en kendt belastningscelle. Denne belastningscelle omfatter et bjælkelegeme 2, som er dannet ved at skære et metalmateriale, f.eks. rustfrit stål 5 (SUS630) eller duraluminium (A2014, A2024 eller A2218), og et belastningscelleelement 4 udformet på bjælkelegemet 2. Bjælkelegemet 2 har monteringshuller 2-1 og 2-2, hvori to monteringsbolte 6-1 og 6-2 er indsat til montering af belastningscellen ved en stationær ende på en understøtning 10 8 som vist i fig. 2, Bjælkelegemet 2 har også en tynd spæn dingsf rembringende del 2-3, der strækker sig fra højre side af den stationære ende af bjælkelegemet, og hvorpå belastningscelleelementet 4 er udformet, og en belastnings-bærende del 2-4, som strækker sig fra den bevægelige en-13 de af den spændingsfrembringende del 2-3 tilbage mod den stationære ende. En understøtningsdel 10 til at understøtte en prøvevægtskål (ikke vist) er monteret på den belastningsbærende sektion 2-4. Når en prøve, som skal vejes, er anbragt på prøvevægtskålen, underkastes den spændingsbæ-20 rende sektion 2-3 en stor spænding, nærmere bestemt en maksimal trækspænding i sin del nær den stationære ende og en maksimal trykspænding i sin del nær den bevægelige ende i fig. 2.

Belastningselementet 4 indeholder en isolerende film 4-1, 25 som er udformet på den spændingsbærende del af bjælkele gemet 2 og udformet af varme-modstandsbestandigt isolerende formstof, f.eks. polyimid, polyamid-imid og epoxymod-dificeret polyimid. Modstande 4-2 til 4-9 med samme modstandsværdi er anbragt på den isolerende film 4-1 og er' 30 forbundet til dannelse af et brokredsløb som vist i fig.

3, og en isolerende film 4-10 dækker modstandene 4-2 til 4-9. I brokredsløbet i fig. 3 svarer modstande RI til R8 til de respektive modstande 4-2 til 4-9 i fig. 1. Modstandene 4-2 til 4-9 er serieforbundet i nævnte række-35 følge med ledninger dannet af et ledende lag, f.eks. et

6 DK 161215B

guldlag. Et par effekttilførselsledninger (ikke vist), imellem hvilke en indgangsspænding VI tilføres, er forbundet til brokredsløbet, idet den- ene er tilsluttet forbindelsen imellem modstandene 4-2 og 4-9, og den anden 5 er tilsluttet forbindelsen imellem modstandene 4-5 og 4-6 (svarende til punkterne A og B i brokredsløbet i fig. 3), og to udgangsledninger (ikke vist) er forbundet til brokredsløbet, idet den ene er tilsluttet forbindelsen imellem modstandene 4-8 og 4-7, og den anden er til-10 sluttet forbindelsen imellem modstandene 4-3 og 4-4 (sva rende til punkterne C og D i brokredsløbet i fig. 3). Modstandene 4-2, 4-3, 4-6 og 4-7 er udformet over regionen af bjælkelegemet 2, som underkastes den maksimale trækspænding, mens modstandene 4-4, 4-5, 4-8 og 4-9 er udfor-15 met på den region af bjælkelegemet 2, som underkastes den maksimale kontraktionsspænding. De modstande, som er indsat på modsJtåe.nde side i brokredsløbet, er med andre ord udformet i samme region. Når en prøve, som skal vejes, er anbragt på prøvevægtskålen, udsættes modstandene 4-2, 4-3, 20 4-6 og 4-7 derfor for en trækspænding svarende til belast ningen, mens modstandene 4-4, 4-5, 4-8 og 4-9 udsættes for en kontraktionsspænding i en udstrækning svarende til trækspændingen i modstandene 4-2, 4-3, 4-6 og 4-7. Således kommer brokredsløbet ud af balancetilstanden, og en udn 25 gangsspænding V0 svarende til belastningen fremkommer imel lem udgangsterminalerne C og D.

Fremgangsmåden til fremstilling af den i fig. 1 og 2 viste belastningscelle skal nu beskrives med henvisning til fig.

4A og 4B.

30 For det første renses overfladen af det spændingsfrembrin-gende tværsnit af bjælkelegemet 2, som opnås ved skærings-processen, for at fjerne fedt, og fernislignende varmebe-standigt isolerende formstof, f.eks. polyimid, epoxy, poly-amid-imid, epoxymodificeret polyimid, osv. med en viskosi-

7 DK 161215 B

tet på 1000 cp dryppes på den rensede overflade. Dernæst drejes bjælkelegemet 2 med en rotor med 1000 omdrejninger per minut for at opnå ensartet dækning af det varme-bestandige isolerende formstof over bjælkelegemets over-5 flade. Systemet opvarmes så til omkring 350 °C i en fluorin gasatmosfære, hvorved det isolerende formstof hærdes til dannelse af en varme-bestandig isolerende film 4-1 med en tykkelse på omkring 6^u over overfladen af den spændingsbærende sektion. Derpå aflejres et metal med en 10 høj modstand og lav modstandstemperaturkoefficient til dan nelse af modstande på den isolerende film 4-1, f. eks. ni-crom, constantan, osv. f. eks. ved en elektronstråle aflejring eller katodeforstøvning til dannelse af en tynd modstandsfilm 12 med en tykkelse på omkring 1000 A. Desuden 15 dannes et metallag 14 af guld eller ehrom til at danne le dere på den tynde modstandsfilm 12 i en tykkelse på omkring 2yU ved hjælp af elektronstråleaflejring eller katodeaflejring .

Metallaget 14 og den tynde modstandsfilm 12 bliver så suc-20 cesivt foto-ætset med flydende ætsningsmidler, som er eg net til de respektive metaller, og ligeledes anvendes et mønster, som danner regionen, hvor lederne og modstandene dannes som vist i fig. 4B. På denne måde dannes et to-lagsmønster af den relativt tynde modstandsfilm 12 og metal-25 laget 14 på det isolerende lag 4-1.

En del af metallaget 14 svarende til regionen for modstandene 4-2 til 4-9 bliver derefter foto-ætset som vist i fig.

4C. De således opnåede modstande 4-2 til 4-9 er hver udformet af en enkelt tynd modstandsfilm 12, mens de ledende 30 lederlag til at forbinde modstandene 4-2 til 4-9 i serie hver har en to-lagsstruktur dannet af den tynde modstandsfilm 12 og metallaget 14.

8 DK 161215B

Derefter dannes en isolerende film 4-10 af varme-bestandig isolerende formstof over mønsteret af modstande og ledere som vist i fig. 4D.

Endelig bliver den isolerende film 4-10 selektivt ætset 5 som vist i fig. 4E for at danne elektrodehuller. Disse elek trodehuller er dannet for at blotte en central del af de ledende tilledninger, som respektivt forbinder modstandene 4-2, 4-3, 4-6 og 4-7 til modstandene 4-9, 4-4, 4-5 og 4-8. Metalelektroder af aluminium, guld eller lignende anbrin-10 ges så i disse elektrodehuller. Effekttilførselsledninger ne og udgangsledningerne, som også er fremstillet af aluminium, guld eller lignende, bliver forbundet til disse elektroder.

I den på denne måde opnåede belastningscelle, i hvilken de 15 ledende lag 14 er udformet i det væsentlige på en flad over flade, er der ingen mulighed for brud af det ledende lag forårsaget af en eller anden aftrappet overflade. Eftersom modstandene 4-2 til 4-9 er udformet tyndt på den isolerende film 4-1 er det yderligere muligt at opnå modstande med 20 høj modstandsværdi. Det er således muligt at reducere ef fektforbrug og varmefrembringelse i belastningscellen ved brug af den og opnå måling med høj præcision.

Fig. 5 viser en fremgangsmåde til fremstilling af en anden udførelsesform for belastningscellen ifølge opfindelsen.

25 Ved denne fremgangsmåde bliver metalfilmen 14 af den i fig.

4A viste udformning sei-ektivt-.-æ-ts.e.t for kun at efterlade de ledende lag som vist med fuldt optrukne linier, som anvendes til at forbinde modstandene (vist med punkterede linier i fig. 5), som fremstilles under det næste trin.

30 Modstandsfilmen 12 bliver så selektivt ætset for at efter lade de med punkteret linie i fig. 5 viste dele og desuden dele, som ligger under de ledende lag vist med optrukne li-

DK 161215B

9 nier. På denne måde kan den samme struktur som i fig. 4C opnås.

Fig. 6 viser et belastningscellemønster i en anden udførelsesform ifølge opfindelsen. I denne belastningscelle er 5 en korrektionsmodstand 4-11 forbundet mellem modstandene 4-2 og 4-3, og en korrektionsmodstand 4-12 er forbundet mellem modstandene 4-8 og 4-9, idet det øvrige er lige som ved belastningscellen i fig. 4C. Korrektionsmodstandene 4-11 og 4-12 har hver en struktur dannet af et antal serie-10 forbundne stige-agtige modstandselementer. Nærmere bestemt indeholder hvert stige-agtigt modstandselement et første og et andet modstandslag, som strækker sig indbyrdes parallelt, og et antal shuntende modstandslag, som er forbundet mellem det første og det andet modstandslag. Modstanden 15 af det stige-agtige modstandselement kan indstilles ved se lektivt at bryde shuntmodstandene.

Korrektionsmodstandene 4-11 og 4-12 kan udformes med samme materiale og samme fremgangsmåde som ved modstandene 4-2 og 4-9. De er desuden udformet på en del af bjælkele-20 gemet 2, som i det væsentlige ikke underkastes nogen spæn ding, når en belastning påføres, således at de ikke bliver påvirket af den i bjælkelegemet 2 frembragte spænding.

For at opnå balancetilstand i det i fig. 3 viste brokredsløb, dvs. for at opfylde en betingelse 25 (RI + R2)(R5 + Ré) = (R3 + R4)(R7 + R8), er det nødvendigt at fremstille modstandene 4-2 til 4-9 med høj præcision. Med den i fig. 6 viste udførelsesform er det imidlertid ikke nødvendigt at udforme modstandene 10

DK 161215 B

4-2 til 4-9 med høj præcision, fordi korrektionsmodstandene 4-11 og 4-12 er stige-agtige modstandselementer, og deres modstand er indstillelig. I ækvivalentkredsløbet i fig. 7 svarende til belastningscellen i fig. 6 vil dette 5 sige, at modstandene R9 og R10, som svarer til de respek tive korrektionsmodstanden 4-11 og 4*12, er variable, og således kan brokredsløbet indstilles til balancetilstanden ved at justere en eller begge modstandene R9 og R10.

Disse korrektionsmodstande 4-11 og 4-12 er udformet, f.

10 eks. sammen modstandene 4-2 til 4-9 i det i fig. 4C viste trin. Dernæst udføres en brobalanceundersøgelse, og modstandsværdierne af korrektionsmodstandene indstilles på basis af data, som opnås som et resultat af undersøgelsen.

Fig. 8 viser et skematisk perspektivisk billede af en yder-15 ligere udførelsesform for belastningscellen ifølge opfin- -------- delsen. Denne belastningscelle har et bjælkelegeme 20, som er fremstillet af samme materiale som førnævnte bjælkelegeme 2, og et belastningscelleelement 22 udformet på bjælkelegemet 20. Bjælkelegemet er i sin stationære ende for-20 synet med gennemgående huller 20-1 og 20-2, i hvilke mon teringsskruer til montering af belastningscellen på en understøtning kan indføres, og er desuden i sin bevægelige ende forsynet med et gennemgående hul 20-3, hvori en monteringsdel til montering af en prøveplade (ikke vist) kan 25 anbringes. Bjælkelegemet 20 har desuden på tværs forløbende cirkulære huller 20-4 og 20-5, som står i indbyrdes forbindelse med en tværgående huldel 20-6. Med bjælkelegemet 20 fastgjort som vist i fig. 9 og med en belastning fastgjort til den bevægelige ende af bjælkelegemet 20, stræk-30 kes regionen over det gennemgående hul 20-4 relativt, mens regionen over det gennemgående hul 20-5 bliver relativt kontraheret.

Belastningscellen 22 indeholder ligesom belastningscellen i fig. 1 og 2 en isolerende film 22-1 udformet på over- 11

DK 161215 B

siden af bjælkelegemet 20, modstande 22-2 til 22-11 og en isolerende film 22-12 udformet til at dække modstandene 22-2 til 22-11. Modstandene 22-2 til 22-5 er strain gauge modstande med i det væsentlige samme modstandsværdi og udformet 5 af et materiale med høj resitivitet og lav modstandstempe raturkoefficient, dvs. hvor modstanden ændrer sig lidt med temperaturændringer. Modstanden 22-2 er med sin ene ende forbundet til den ene ende af modstanden 22-3 og sin anden ende forbundet gennem modstanden 22-6, som tjener som en 10 brobalanceringsmodstand, og modstanden 22-7, som tjener som en temperaturkompensationsmodstand, til den ene ende af modstanden 22-4. Den anden ende af modstanden 22-3 er forbundet gennem modstanden 22-8 som brobalanceringsmodstand og modstanden 22-9 som temperaturkompensationsmod-15 stand til den ene ende af modstanden 22-5. De øvrige ender af modstandene 22-4 og 22-5 er forbundet til hinanden og desuden til parallelforbindelsen af temperaturkompensationsmodstanden 22-10 og temperaturkarakteristikkompensa-tionsmodstanden 22-11. Modstandsværdierne af brobalance-20 ringsmodstandene 22-6 og 22-8 kan indstilles ligesom bro balanceringsmodstandene 4-11 og 4-12 i fig. 6. Temperaturkompensationsmodstandene 22-7 og 22-9 tjener til kompensation for temperaturdrift i brobalancen. De er fremstillet af et metal, såsom titanium med en positiv modstands-25 temperaturkoefficient. Temperaturkompensationsmodstandene 22-7 og 22-9 har desuden en stige-agtig struktur til indstilling af modstandsværdien. Temperaturkompensationsmodstanden 22-10 tjener til kompensation for svingninger af udgangsspændingen (eller spændvidden) som følge af tempe-30 raturændring, og er fremstillet af et metal, f. eks. tita nium med en positiv modstandstemperaturkoefficient. Temperaturafhængigheden af udgangsspændingen stammer hovedsagelig fra temperaturafhængigheden af den til bjælkelegemet 20 hørende Young's modul. Temperaturkarakteristikkompen-35 sationsmodstanden 22-10 er til pålidelig kompensation for svingninger af udgangsspændingen som følge af temperatur- 12

DK 161215 B

ændring.

Temperaturkompensationens virkemåde med modstandene 22-10 og 22-11 skal nu beskrives med henvisning til det i fig.

10 viste ækvivalentkredsløb. I ækvivalentkredsløbet i fig.

5 10 svarer modstandene R19 og R20 til modstandene 22-10 og 22-11 i fig. 8.

Det antages nu, at bjælkelegemet 20 er fremstillet af rustfrit stål (SUS630), og strain gauge modstandene 22-2 til 22-5 er fremstillet af nicrom (Ni 40%, Cr 60%), således at 10 deres modstand er 3,0 kiloohm og deres modstandtemperatur- koefficient er +5 PPM/°C. Udgangsspændingen i brokredsløbet vokser gradvist med temperaturstigning som vist i fig.

11, hvis temperaturkompensationsmodstanden 22-10 og tempe-raturkarakteristikkompensationsmodstanden 22-11, dvs. mod-15 standene R19 og R20 i fig. 10 ikke benyttes. F. eks. er ud gangsspændingen ved 40 °C omkring 0,7% højere end udgangsspændingen ved 0 °C. Dernæst antages det, at temperaturkompensationsmodstanden 22-10, som er dannet af lamineringen af titanium og nicromlag, og som har en modstand på 312 20 ohm og en modstandstemperaturkoefficient på +2,800 PPM/°C, benyttes til at forbedre spændingens temperaturkarakteristik. I dette tilfælde er udgangsspændingen VO givet som V° = p +RRI9 x VI x K x E ---- (1) hvor R er den sammensatte modstand af brokredsløbet, og K er gaugefaktoren for strain gauge modstandene 22-2 og 22-5 25 og har en værdi på 1,79 ved nicrom (Ni 40%, Cr 60%). E re præsenterer spændingen, som frembringes i bjælkelegemet 20 i overensstemmelse med belastningen.

I dette eksempel har udgangsspændingen som vist i fig. 12 i det væsentlige samme værdi ved 0 °C og ved 40 °C, og er 30 lidt større i nærheden af 20 °C. Spændingsvariationen om- 13

DK 161215 B

kring 20 °C er imidlertid omkring 0,03%. Således er temperaturområdet væsentligt forbedret.

Det antages nu, at temperaturkarakteristikkompensations-modstanden 22-11, som er fremstillet af nicrom (Ni 40%, 5 Cr 60%) og har en modstand på 1,952 kiloohm og en lille mod standstemperaturkoefficient lige som strain gauge modstandene 22-2 og 22-5, anvendes til at forbedre uliniariteten af spændingstemperaturkarakteristikken.

I dette tilfælde er udgangsspændingen V0 givet som følger: VO = -R1g . R20 x VI x K x E ---- (2) R + RI 9 + R20 10 Ved at anvende temperaturkompensationsmodstanden R19 og temperaturkarakteristikkompensationsmodstanden R20 på denne måde kan en hovedsagelig flad spændingstemperaturkarakteristik opnås over det faktiske drifttemperaturområde som vist i fig. 13.

15 Der betragtes nu det tilfælde, hvor den i fig. 8 viste be lastningscelle påføres en belastning, således at en forlængelsesspænding frembringes i modstandene 22-2 og 22-5 til forøgelse af deres respektive modstandsværdier med ÅRH og AR14 og at der frembringes en kontraktionsspænding 20 i modstandene 22-3 og 22-4 for henholdsvis at nedsætte de res modstandsværdi med AR12 og AR13. I dette tilfælde er udgangsspændingen V0 givet som følger: \/0 - -0- x VI x — (-ARI 1_ r R19 · R20 4 nil + R15 + R16 + +R19 + R20 ÅR12_ AR13 AR14 v , .

R12 + R17 + R18 + R13 + R14 ' ---- 14

DK 161215 B

Idet det antages, at modstandene 22-2 og 22-5 har en ens modstand RO, som er tilstrækkeligt højere end summen af modstandsværdien af modstandene 22-6 og 22-7, og at modstandene 22-5 og 22-4 har en modstandsværdi, som er tilstrækkeligt 5 højere end summen af modstandsværdierne af modstandene 22-8 og 22-9, kan ligning (3) omskrives som følger: un _R_ UT ARO r / \ V0 = R19 R20 x VI'X RO ---- (4) K + R19 + R20 hvor 4R0 er en modstandsændring, som frembringes i modstandene 22-2 til 22-5 som følge af spændingen i overensstemmelse med belastningen.

10 Generelt gælder en relation 4R0/R0 = k*E. Indsættes denne ligning i ligningen (4) opnås følgende ligning V0 = R^9 . R2Q x VI x K x E .... (5) R +R19 + R20

Eftersom spændingen E ændrer sig i overensstemmelse med den på belastningscellen påførte belastning, ændrer udgangsspændingen UO sig i overensstemmelse med belastningen. Eftersom 15 spændingen E og gauge faktoren K ændres med temperaturæn dring, ændrer udgangsspændingen sig med temperaturændring. Ændringen i udgangsspændingen med temperaturændring kan undertrykkes til et minimum ved passende indstilling af modstandsværdien af temperaturkompensationsmodstanden R19 20 og temperaturkarakteristikkompensationsmodstanden R20 til rette værdier på basis af måledata.

Fremgangsmåden t'il fremstilling af belastningscellen i fig.

8 skal beskrives med henvisning til fig. 14A og 14B.

For det første gøres mønsterdannelsesoverfladen af bjæl-25 kelegemet 20, som har gennemgående huller 20-1 til 20-6

DK 161215B

15 som vist i fig. 8, glat for at opnå en plan overflade. Dernæst renses mønsterdannelsen for at fjerne fedt, og fernis-lignende polyimidharpiks med en viskositet på 1,000 cp dryppes på den rensede mønsterdannelsesoverflade. Bjælkele-5 gemet 20 drejes så med en rotor med en hastighed på 1600 omdrejninger per minut for ensartet at dække polyimidhar-piksen på mønsterdannelsesoverfladen. Derefter opvarmes bjælkelegemet 20 ved 100 °C i en time, dernæst ved 250 °C i en time og så ved 350 °C i en time, for derved at danne 10 en polyimidharpiksfilm 22-1 med en tykkelse på 4 til 5 på bjælkelegemets 20 mønsterdannelsesoverflade som vist i fig. 14A. Et 500-Å nicrom (Ni 40/°ό, Or 60%) lag 30 dannes så ved hjælp af sprøjtning på polyimidfilmen 22-1. Som betingelserne for sprøjtningen kan størrelsen af det indle-15 dende vakuum indstilles til 3 x 10-^ mm Hg, argontrykket til 8 x 10-^ mm Hg, højfrekvens udgangen til 1,0 Κω og omgivelsestemperaturen til 25 °C.

Herefter dannes et titaniumlag 32 ved katodeforstøvning med en tykkelse på 2,000 Å på nicrom laget 30, og så dannes et 20 guldlag 34 ved sprøjtning på l^u på titaniumlaget 32. Be tingelserne for sprøjtning af titanium og guld kan indstilles at være de samme som for sprøjtning af nicrom.

Derefter udføres en mønsterdannelsesproces ved fotoætsningsmetoden, hvilket nu skal beskrives. Først dannes et møn-25 ster svarende til modstandene 22-2 til 22-11 og ledende lag, som forbinder disse modstande ved at udforme en fotomodstandsdygtig film på guldlaget 34 som vist i fig. 14A. Dernæst ætses guldlaget 34 selektivt ved anvendelse af et ætsningsmiddel for guld, f. eks. et iodidætsningsmiddel.

30 Derefter bliver titaniumlaget 32 selektivt ætset ved an vendelse af et ætsningsmiddel for titanium, dvs. et fluoridætsemiddel. Til sidst bliver nicromlaget 30 selektivt ætset ved brug af et ætsningsmiddel for nicrom, dvs. et cerricammoniumnitratætsningsmiddel, idet der således opnås 16

DK 161215 B

en trelagsstruktur dannet af nicromlaget 30, titaniumla-get 32 og guldlaget 34 med et mønster som vist i fig. 14B.

Dernæst ætses guldlaget selektivt for at efterlade de ledende lag, som forbinder modstandene 22-2 til 22-11 som 5 vist i fig. 14C. Det vil sige de skraverede dele af guld laget i fig. 14C ætses bort til blottelse af det tilsvarende mellemliggende titaniumlag. Således fremstilles det ledende guldlagsmønster og temperaturkompensationsmodstandene 22-7, 22-9 og 22-10.

10 Derefter bliver det blottede titaniumlag i'fig. 14C selektivt ætset for at fremdrage andre dele af nicromlaget end delene i regionen af modstandene 22-7, 22-9 og 22-10. Det vil sige de skraverede dele af titaniumlaget som vist i fig. 14D ætses bort til blottelse af nicromlaget i de skraverede 15 regioner.

Således fremstilles strain gauge modstandene 22-2 til 22-5, brobalanceringsmodstandene 22-6 og 22-8 og temperaturkarak-teristikkompensationsmodstanden 22-11. Efter afslutningen af dette trin udføres brobalanceringsundersøgelsen og tem-20 peraturundersøgelsen, og modstandsværdierne af modstande ne 22-6 og 22-8 indstilles i overensstemmelse med undersøgelsesresultaterne.

Dernæst dannes en polyimidisolerende film 36 f. eks. på mønsterregionen, som opnås ved trinnet i fig. 14D. Til dan-25 nelsen af polyimid isoleringsfilmen dryppes fernispolyimid- region med en viskositet på omkring 1,000 cp på mønster-regionen, og dernæst drejes bjælkelegemet 20 med en rotor med en hastighed på 1400 omdrejninger per minut, for derved ensartet at dække polyimidlaget på mønsterregionen. Der-30 næst tørres polyimidlaget ved 100 °C i e'n time og hærdes så ved en varmebehandling ved 250 °C i en time.

17

DK 161215 B

Til dannelsen af elektroderne 36 til forbindelse af effekttilførselsledninger eller udgangsledninger dertil bliver de tilsvarende dele af polyimidfilmen derefter selektivt fotoæt-set som vist i fig. 14F, efterfulgt af varmebehandling ved omkring 350 °C for at færdighærde polyimidfilmen.

5 Fig. 14G viser et tværsnitsbillede af regionen omfattende brobalanceringsmodstanden 22-6, temperaturkompensationsmodstanden 22-7 og et ledende lag, som forbinder begge modstandene. Som det er vist dannes det ledende lag af nicrom-laget, et titaniumlag og guldlag, temperaturkompensations-10 modstanden 22-7 dannes af nicromlaget og titaniumlaget og brobalanceringsmodstanden 22-6 dannes af nicromlaget.

^ig. 15A og 15B viser fremgangsmåden til fremstilling af en belastningscelle, som er forskellig fra den i fig. 14A til 14G viste. Efter dannelse af en lagstruktur dannet 15 af nicromlaget 30, titaniumlaget 32 og guldlaget 34 som vist i fig. 14A bliver guldlaget 34 selektivt ætset til ef-terladning af de stiplede dele i fig. 15A, som forbinder regionerne, hvor modstandene 22-2 til 22-11 dannes.

Dernæst ætses titaniumlaget selektivt for at efterlade dets 20 dele svarende til modstandene 22-7, 22-9 og 22-10 og dets dele, som ligger under de ledende lag dannes i trinnet i fig. 15A som vist i fig. 15B. Derefter udføres selektiv ætsning for at efterlade dele af nicromlaget, som ligger under det tilbageværende titaniumlag som vist i fig. 15B 25 og delene af nicromlaget svarende til modstandene 22-2 til 22-6, 22-8 og 22-11. Fremgangsmåden udføres så på samme måde som ved trinne vist i fig. 14E og 14G.

I det i fig. 8 og 9 viste eksempel på en udførelsesform ifølge opfindelsen er det første og andet modstandslag og 30 det ledende lag henholdsvis fremstillet af nicrom, titanium og guld, således at de kan ætses selektivt ved anvendelse 18

DK 161215 B

af forskellige ætsningsmidler. Det er imidlertid muligt at anvende nicrom, nikkel og aluminium til respektivt at danne det første og andet modstandslag og ledende lag med henblik på at opnå samme virkning.

Claims (15)

1. Belastningscelle, som omfatter 5 et bjælkelegeme (20), en isolerende film (22-1) udformet på den ene overflade af bjælkelegemet (20) og et belastningscelleelement (22) 10 udformet på den isolerende film (22-1), hvilket belastningscelleelement (22) indeholder en første og en anden effekttilførselsterminal (A, B), 15 en første og en anden udgangsterminal (C, D), en første strain gauge modstand (22-3) og en første brobalanceringsmodstand (22-8), som er serieforbundet imellem den første effekttilførselsterminal (A) og første 20 udgangsterminal (C), en anden strain gauge modstand (22-2) og en anden brobalanceringsmodstand (22-6), som er serieforbundet imellem den første effekttilførselsterminal (A) og anden ud-25 gangsterminal (D), en tredje strain gauge modstand (22-5), som er forbundet imellem den anden effekttilførselsterminal (B) og første udgangsterminal (C), 30 en fjerde strain gauge modstand (22-4), som er forbundet imellem den anden effekttilførselsterminal (B) og anden udgangsterminal (D), hvorhos de nævnte modstande er udformet i et første modstandslag (30) på den isolerende 35 film (22-1), hvilket modstandslag (30) er udformet over et strukturområde, som indeholder den første til fjerde DK 161215 B strain gauge modstand (22-3/ 22-2, 22-5, 22-4), den første og anden brobalanceringsmodstand (22-8, 22-6) og forbindelsesorganer til at forbinde disse modstande, 5 og hvorhos et ledende lag (34) er udformet på ydersiden af det første modstandslag (30) over et strukturområde af forbindelsesorganerne, kendetegnet ved, 10 at belastningscellen yderligere omfatter en første temperaturkompensationsmodstand (22-10), som er serieforbundet med spændingstilførslen til den anden effekttilførselsterminal (B) og har en positiv temperaturkoeffi-15 cient, at et andet modstandslag (32) med mindre modstand end det første modstandslag (30) er udformet på det første modstandslag (30) i områderne for den første temperatur-20 kompensationsmodstand (22-10) og forbindelsesorganerne, og at det ledende lag (34) er udformet på det andet modstandslag (32). 25

2. Belastningscelle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den yderligere omfatter en anden temperaturkom-pensationsmodstand (22-9), som er serieforbundet med den første strain gauge modstand 22-3 og første brobalance-30 ringsmodstand (22-8) imellem den første effekttilfør selsterminal (A) og første udgangsterminal (C) og har en positiv modstandstemperaturkoefficient, og en tredje temperaturkompensationsmodstand (22-7), som er serieforbundet med den anden strain gauge modstand (22-2) og 35 anden brobalanceringsmodstand (22-6) imellem den første effekttilførselsterminal (A) og anden udgangsterminal DK 161215 B (D) og har en positiv modstandstemperaturkoefficient, hvorhos den anden (22-9) og tredje (22-7) temperaturkompensationsmodstand udgøres af lamineringen af det første (30) og andet (32) modstandslag. 5

3. Belastningscelle ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den første til tredje temperaturkompensationsmodstand (22-10, 22-9, 22-7) og første og anden brobalanceringsmodstand (22-8, 22-6) hver indeholder mindst 10 et stige-agtigt modstandselement.

4. Belastningscelle ifølge krav 1 eller 2, k ende-tegnet ved, at det første (30) og andet (32) modstandslag og det ledende lag (34) henholdsvis er frem- 15 stillet af nicrom, titanium og guld.

5. Belastningscelle ifølge krav 2 eller 3, k ende-tegnet ved, at det første (30) og det andet (32) modstandslag og det ledende lag (34) henholdsvis er 20 dannet af nicrom, nikkel og aluminium.

6. Belastningscelle ifølge krav 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at den yderligere omfatter en tempera-turkarakteristikkompensationsmodstand (22-11), som er 25 parallelforbundet med den første temperaturkompensa tionsmodstand (22-10).

7. Belastningscelle ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den første temperaturkompensationsmodstand (22- 30 10), første (22-8) og anden (22-6) brobalanceringsmod stand og temperaturkarakteristikkompensationsmodstanden (22-11) hver indeholder mindst et stige-agtigt modstandselement .

8. Belastningscelle ifølge krav 1, 3, 6 eller 7, ken detegnet ved, at den yderligere omfatter en iso- DK 161215 B lerende film (36), som dækker belastningscelleelementet.

9. Fremgangsmåde til fremstilling af en belastningscelle ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den omfat- 5 ter et trin til at gøre én overflade på et bjælkelegeme (20) glat, et trin til at fremstille en isolerende film (22-1) på den glatte overflade, et trin til på den isolerende film (22-1) at danne et belastningscelleelement, som indeholder en første (A) og en anden (B) effekttil-10 førselsterminal, en første (C) og anden (D) udgangsterminal, en første strain gauge modstand (22-3) og en første brobalanceringsmodstand (22-8), som er serieforbundet imellem den første effekttilførselsterminal (A) og første udgangsterminal (C), en anden strain gauge mod-15 stand (22-2) og en anden brobalanceringsmodstand (22-6), som er serieforbundet imellem den første effekttilførselsterminal (A) og anden udgangsterminal (D), en tredje strain gauge modstand (22-5), som er forbundet mellem den anden effekttilførselsterminal (B) og første ud-20 gangsterminal (C), en fjerde strain gauge modstand (22- 4), som er forbundet mellem den anden effekttilførsels-terminal(B) og anden udgangsterminal (D) og en første temperaturkompensationsmodstand (22-10), som er serieforbundet med spændingstilførslen til den anden effekt-25 tilførselsterminal (B) og har en positiv modstandskoefficient, et trin til dannelse af et første modstandslag (30) på den isolerende film (22-1), et trin til på det første modstandslag (30) at danne et andet modstandslag (32) med en positiv temperaturkoefficient og en mindre 30 modstand end modstanden i det første modstandslag (30), et trin til at danne et ledende lag (34) på det andet modstandslag (32), og et trin til selektivt at ætse det første (30) og det andet (32) modstandslag og det ledende lag (34) for at danne den første til fjerde strain 35 gauge modstand (22-2 til 22-5), den første temperaturkompensationsmodstand (22-10) og forbindelsesorganerne.

10. Fremgangsmåde til fremstilling af en belastningscelle ifølge krav 9, kendetegnet ved, at ætsnings- DK 161215B trinnet omfatter et trin til selektivt at ætse andre dele af det første (30) og andet (32) modstandslag og det ledende lag (34) end delene svarende til et mønster-areal, som indeholder den første til fjerde strain gauge modstand (22-2 til 22-5), den første (22-8) og anden 5 (22-6) bromodstand, den første temperaturkompensations modstand (22-10), og forbindelsesorganerne, et trin til at ætse andre dele af det ledende lag end delene svarende til et mønsterareal af forbindelsesorganerne, og et trin til selektivt at ætse andre dele af det andet mod-10 standslag (32) end delene svarende til et mønsterareal, som indeholder det første temperaturkompensationsorgan (22-10) og forbindelsesorganerne.

11. Fremgangsmåde til fremstilling af en belastningscelle ifølge krav 9, kendetegnet ved, at 15 ætsningstrinnet indeholder et trin til selektivt at ætse andre dele af det ledende lag (34) end delene svarende til et mønster af forbindelsesorganerne, et trin til selektivt at ætse andre dele af det andet modstandslag (32) end delene svarende til et mønsterareal, som inde-20 holder det første temperaturkompensationsorgan (22-3) og forbindelsesorganerne, og et trin til selektivt at ætse andre dele af det første modstandslag (30) end delene svarende til et mønsterareal, som indeholder den første til fjerde strain gauge modstand (22-2 til 22-5), 25 første (22-8) og anden (22-6) brobalanceringsmodstand, første temperaturkompensationsmodstand (22-10), og nævnte forbindelsesorganer.

12. Fremgangsmåde til fremstilling af en belastningscelle ifølge krav 9, 10 eller 11, kendetegnet 30 ved, at den yderligere omfatter et trin til dannelse af en isolerende film (36), som dækker nævnte belastningscelleelement.

13. Fremgangsmåde til fremstilling af en belastningscelle DK 161215 B ifølge krav 9, 10 eller 11, kendetegnet ved, at belastningscelleelementet yderligere omfatter en anden temperaturkompensationsmodstand (22-9), som er serieforbundet med den første strain gauge modstand (22-3) og 5 første brobalanceringsmodstand (22-8) imellem den første effekttilførselsterminal (A) og første udgangsterminal (C), og en tredje temperaturkompensationsmodstand (22-7), som er serieforbundet med den anden strain gauge modstand (22-2) og anden brobalanceringsmodstand (22-6) imellem 10 den første effekttilførselsterminal (A) og anden udgangs- terminal (D), hvilken anden (22-9) og tredje (22-7) temperaturkompensationsmodstand er udformet af nævnte første (30) og andet (32) modstandslag på samme måde som dannelsen af den første temperaturkompensationsmodstand 15 (22-10).

14. Fremgangsmåde ifølge krav 9, 10 eller 11, kendetegnet ved, at belastningscellen yderligere indeholder en temperaturkarakteristikkompensationsmod-stand (22-11), som er parallelforbundet med den første 20 temperaturkompensationsmodstand (22-10), hvilken tempera- turkarakteristikkompensationsmodstand er dannet af det første (30) og andet (32) modstandslag på samme måde som dannelsen af den første til fjerde strain gauge modstand (22-2 til 22-5) og første (22-8) og anden (22-6) broba-25 lanceringsmodstand.

15. Fremgangsmåde ifølge krav 9, 10 eller 11, kendetegnet ved, at trinnet til dannelse af den isolerende film (36) indeholder et trin med at dryppe poly-imidharpiks i en væskelignende tilstand på den glatte 30 overflade af bjælkelegemet (20), et trin til drejning af bjælkelegemet (20) til dannelse af en polyimidfilm, og et trin til opvarmning af nævnte polyimidfilm til hærdning af denne.