NL1035717C2

NL1035717C2 - Inrichting voor het gelijktijdig meten van krachten.

Info

Publication number: NL1035717C2
Application number: NL1035717A
Authority: NL
Inventors: Ger Professor Gerd J
Original assignee: Sios Messtechnik Gmbh
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2011-10-10
Also published as: DE102007033441A1; NL1035717A1; US20090019948A1; CH697712A2; US7930946B2; CH697712B1; DE102007033441B4

Description

• 1

Inrichting voor het gelijktijdig meten van krachten

De uitvinding betreft een inrichting voor het meten van krachten met een parallel-veer opstelling.

5 De uitvinding is bijzonder geschikt voor het vaststellen van krachten en van massa's van kleine objecten. De inrichting volgens de uitvinding kan ook worden ingezet voor het gelijktijdig meten van oppervlakte profielen op verscheidene punten.

10 Uit de stand der techniek zijn verschillende opstel-lingen bekend voor krachtmeting of massabepaling van ob-jecten en voor het meten van oppervlakprofiel afwijkingen.

Bij vele toepassingen worden voor de krachtmeting buiglichamen gebruikt, waarop rekmeetstroken zijn aangebracht.

15 Voor hogere eisen in de krachtmetings- en weegtechniek worden parallelle veren als vervormingslichaam gebruikt, bijvoorbeeld van aluminium. Op de oppervlakken van deze parallelle veren zijn eveneens rekstroken geplakt. Aangezien de parallelle veren zowel rek- als stuikzones bezitten, kunnen de rekstroken in een 20 volledige brug-schakeling worden opgenomen. Daarbij is nadelig, dat het vervaardigen van de rekstrook-sensors een technologisch omslachtige werkwijze vereist. Een nadeel is verder de beperkte nauwkeurigheid van deze krachtsensors, in het bijzonder voor het meten van geringe krachten.

25 Voor het bepalen van het oppervlakte profiel van objecten worden silicium cantilevers in rasterkracht microscopen toegepast met een bereik in het nanometer- en subnanometer gebied. Als cantilevers dienen silicium buigbalken met piëzo-resistieve weerstanden, die tot een brug zijn geschakeld.

30 Aangezien deze buigbalk cantilevers alleen een positieve of negatieve overlangse rek vertonen, kunnen geen volledige brugschakelingen worden gerealiseerd. Een ideale volledige brugschakeling met piëzo-resistieve weerstanden is alleen mogelijk met een parallel-veer-opstelling.

35 Ook is het bekend, cantilevers te gebruiken, die aan hun vrije einden spiegelende oppervlakken bezitten, waarvan de verzwenking wordt geregistreerd met vlakke spiegel 1035717 .

» I

2 interferometers. Gebaseerd op de helling van de vrije einden van de buigbalk cantilevers zijn vlakke spiegel interferometers echter alleen toepasbaar bij zeer geringe rek en stuik.

In DE 41 32 114 A wordt een meetinrichting beschreven voor 5 het meten van lengtes of afstanden, die een volgens de silicium-techniek vervaardigde meet-omvormer bezit. De in de figuren 1 en 2 getoonde uitvoering omvat een parallelo-gram-veer en een veer 3, die met de meet-omvormer is verbonden en aan het eind waarvan de te meten kracht wordt ingeleid. In de parallelogram-veer zijn 10 rek-gevoelige gebieden aangebracht. De parallelogram-veer is uit massief materiaal vervaardigd. Hij bestaat dus niet uit afzonder-lijke veren, die via afzonderlijke afstands-stukken met elkaar zijn verbonden. Een universele vormgeving van de parallel-veer-opstelling is daardoor niet mogelijk. Verder is de 15 inrichting ook niet geschikt voor nauwkeurige metingen omdat de krachts-inleiding plaats vindt via de aan de parallelogram-veer aangebrachte veer 3, zodat in de silicium-meet-omvormer grote trekspanningen optreden.

Uit GB 1 000 456 A is een inrichting bekend waarbij twee 20 piëzo-resistieve elementen parallel zijn aangebracht. Op de boven- en onderzijde van de piëzo-resistieve elementen zijn geleidende lagen gediffundeerd. Door middel van leidingen worden boven en onder de piëzo-resistieve elementen bepaalde weerstands-gebieden vastgesteld. De weerstanden zijn in een brug 25 geschakeld. Beide piëzo-elementen zijn bij het ene einde vast aangebracht en bij het andere einde met elkaar verbonden. Op dit einde grijpt de kracht aan. Bij de veren gaat het om eenzijdig ingespannen buigveren. Een parallel-veer opstelling kan daarmee niet worden gerealiseerd.

30 JP 2000-258332 A beschrijft een cantilever opstelling waarbij twee cantilevers worden toegepast, aangebracht in de vorm van twee parallelle bladveren. Een verwijzing naar afzonderlijke silicium-veren met piëzo-resistieve weer-standen kan uit deze publikatie niet worden afgeleid.

35 De uitvinding heeft daarom tot doel, een inrichting van het in de aanvang genoemde type aan te geven, die een gelijktijdig vaststellen van krachten evenals van een exacte

I I

3 bepaling van de profiel-afwijkingen van oppervlakken op verscheidene punten gelijktijdig mogelijk maakt.

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt met een inrichting, die de in conclusie 1 aangegeven maatregelen bezit.

5 Gunstige uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn onderwerp van de volgconclusies.

De inrichting volgens de uitvinding omvat een parallelveer opstelling, in het bijzonder van silicium of kiezelglas. De parallel-veren bestaan uit bovenste en onderste veren, die 10 verbonden zijn door afstands-stukken van silicium of kiezelglas. De ene einden van de parallel-veren zijn aan een gestel bevestigd. Doordat de parallel-veren in hun buigverloop een keerpunt hebben, zijn er zones, waarin de absolute graden van rek en stuik even groot zijn. Bijgevolg kan een ideale volledige 15 Wheatstone brug met piëzo-resistieve weerstanden in alle parallel-veren worden gerealiseerd.

Uit silicium bestaande parallel-veren kunnen goedkoop en met een hoge mate van reproduceerbaarheid worden vervaardigd door middel van de halfgeleider-techniek en de micromechanica. 20 Daarbij kunnen regelvormige opstellingen van silicium parallelveren op gunstige wijze ook in grote aantallen worden vervaardigd. Wanneer de silicium parallel-veren geen rechthoekige maar een driehoekige vorm hebben, dan zijn de mechanische rek en spanningen in de driehoekige gebieden 25 nagenoeg constant. De silicium parallel-veren worden op gunstige wijze in dubbele driehoeksvorm uitgevoerd, dat wil zeggen dat de parallel-veren een soort vlindervorm hebben. Daaruit volgt een positie-onafhanke-lijkheid van de piëzo-resistieve weerstanden en dus een offsetvrije brugschakeling. Wanneer de silicium 30 parallel-veren een rechthoekige vorm hebben, dan vertonen de mechanische rek en spanningen gradiënten. Bijgevolg moeten de piëzo-resistieve weerstanden exact gepositioneerd worden, om de offsetspanning van de brug klein te houden. Dit lukt in de regel slechts in ontoereikende mate.

35 Worden op de vrije einden van de silicium parallel-veren siliciumpunten met radii van slechts enkele nanometers aangebracht, dan ontstaan parallel-veer cantilevers, die in 4 vergelijking met de buigbalk cantilevers van de huidige rasterkracht microscopen geen zogenaamde boogfouten vertonen. Dit is een verder wezenlijk voordeel van de opstelling volgens de uitvinding.

5 Daardoor kunnen object-oppervlakken op een aantal objectpunten afgetast worden en kunnen de oppervlak-profiel afwijkingen met de hoogst mogelijke precisie worden vastgesteld.

Wanneer zich op de vrije einden van de silicium parallel-10 veren zowel op de boven- als op de er tegenover liggende onderzijde silicium tastelementen bevinden, dan kunnen bijvoorbeeld diameters van boringen en de afstanden van groeven of ribben worden gemeten.

Wanneer op de vrije einden van de parallel-veren 15 balansschalen worden aangebracht en de te wegen objecten op geschikte wijze door middel van toevoer- en afvoer-inrich-tingen over de balansschalen geleid, dan kunnen de massa's van de te wegen objecten parallel met hoge effectiviteit worden bepaald.

De parallel-veer opstellingen van kiezelglas zijn met 20 behulp van etstechnologie en moderne precisie-machines economisch te produceren. Op de vrije einden van de kiezelglas parallel-veren kunnen punten of tastelementen van hard metaal of diamant en met verschillende radii worden aangebracht. De uitwijkingen van de kiezelglas parallel-veren worden bij 25 voorkeur optisch gemeten. Daartoe kunnen autofocus sensoren of vlakke spiegel interferometers worden gebruikt. De combinatie van kiezelglas parallel-veren of silicium parallel-veren met een vlakke spiegel interferometer garandeert de hoogst mogelijke precisie.

30 Uitvoerings-voorbeelden van de uitvinding worden in het volgende aan de hand van de tekening nader toegelicht.

Daarbij toont:

Fig. 1 een perspectivisch aanzicht van een regelvormige opstelling van verscheidene parallel-veren met 35 afstands-stukken;

Fig. 2 een bovenaanzicht van de afbeelding van een parallel-veer met geïntegreerde piëzo-resistieve 5 weerstanden;

Fig. 3 een bovenaanzicht van een fragment van een parallel-veer opstelling van silicium met piëzo-resistieve weerstanden; 5 Fig. 4 een perspectivisch aanzicht van een regelvormige opstelling van verscheidene parallel-veren met een veranderbare doorsnede;

Fig. 5 een bovenaanzicht van de in figuur 4 perspectivisch afgebeelde opstelling; 10 Fig. 6 een doorsnede B-B van de in de figuren 4 en 5 afgebeelde opstelling;

Fig. 7a een langsdoorsnede A-A van een parallel-veer opstelling met een tastelement aan de onderzijde;

Fig. 7b een langsdoorsnede A-A van een parallel-veer 15 opstelling met tastelementen aan de boven- en onderzijde;

Fig. 8 een langsdoorsnede van een parallel-veer opstelling met balansschaal;

Fig. 9 een langsdoorsnede van een parallel-veer opstelling 20 met toevoer- en afvoerrichting; en

Fig. 10 een langsdoorsnede van een parallel-veer opstelling met interfero-metrische aftasting.

Met elkaar overeenkomende onderdelen zijn in alle figuren 25 voorzien van dezelfde verwijzingscijfers.

Figuur 1 toont een regelvormige opstelling van verscheidene parallel-veren 2. De bovenste veren 2.1 zijn door afstands-stukken 3 verbonden met de onderste veren 2.2. De veren 2.1 en 2.2 evenals de afstands-stukken 3 bestaan bij voorkeur 30 uit kiezelglas of silicium. De veren 2.1 en 2.2 vormen een parallel-veer 2. De afstanden tussen de individueel parallelveren 2 kunnen willekeurig gekozen worden en worden aangepast aan meet-opstellingen, waarin de parallel-veer opstelling wordt gebruikt. De parallel-veer opstelling is vast gemonteerd aan een 35 gestel 1. De regel-vormige opstelling van de parallel-veren 2 maakt het gelijktijdig detecteren van verscheidene objectpunten mogelijk. Afhankelijk van de parameters van de te meten objecten 6 kan de grootte van het oppervlak van de aanwezige parallel-veren variëren. Op de vrije einden van de parallel-veren 2 zijn meettechnische tastelementen 5 aangebracht.

In figuur 2 is het bovenaanzicht van een opstelling 5 getoond, waarbij in de bovenliggende veren 2.1 piëzo-resistieve weerstanden 4 gedoteerd zijn.

Figuur 3 toont het bovenaanzicht van een fragment van een parallel-veer opstelling met piëzo-resistieve weer-standen 4, die hier in een Wheatstone brugschakeling zijn gesitueerd. De 10 piëzo-resistieve weerstanden 4.1 ... 4.4 zijn symmetrisch ten opzichte van de nulspanningslijn aangebracht. Bij verzwenking van de parallel-veren 2 worden de piëzo-resistieve weerstanden 4.1 en 4.4 uitgerekt, terwijl de piëzo-resistieve weerstanden 4.2 en 4.3 worden gestuikt. Daardoor ontstaan zones met 15 uitrekkingen en stuikingen, waarvan de absolute waarden gelijk zijn. Dit maakt het realiseren mogelijk van volledige Wheatstone bruggen met de voedingsspanningen UB en de diagonaal spanningen UD.

Figuur 4 toont een silicium parallel-veer opstelling, 20 waarbij de parallel-veren 2 driehoekig zijn uitgevoerd. Bij de afgebeelde uitvoering gaat het om een dubbele driehoek in de vorm van een vlinder. Aangezien in dit geval het quotiënt van moment en weerstandsmoment constant is, zijn de mechanische uitrekkingen en spanningen in de drie-hoekige oppervlakken 25 constant. Voor het realiseren van een volledige brug hoeven daarom de piëzo-resistieve weer-standen 4 niet nauwkeurig gepositioneerd te worden, zoals dit bij de rechthoekige vorm vereist is. Daarmee kan bij een driehoeksvorm van de silicium parallel-veren een ideale offsetvrije volledige brug worden 30 gerealiseerd.

In figuur 5 is de in figuur 4 perspectivisch getoonde driehoekige silicium parallel-veer opstelling in boven-aanzicht getoond.

In figuur 6 is de in figuur 5 aangegeven doorsnede 35 B-B afgebeeld. De afstands-stukken 3 zijn vervaardigd uit silicium en zijn vast verbonden met de silicium parallel-veren 2.1 en 2.2.

7

Figuur 7a toont de doorsnede A-A van een parallel-veer 2 van silicium met piëzo-resistieve weerstanden 4, waarbij op de vrije einden tastelementen 5 zijn aangebracht in de vorm van een punt 5.1 van silicium met zeer kleine punt-radii van enkele 5 nanometers. Bij de in figuur 7a afgebeelde uitvoering zijn de punten 5.1 aangebracht op de onderzijden van de vrije einden van de veren 2.2. Deze opstelling kan als parallel-veer cantilever worden gebruikt. Een inrichting, waarbij verscheidene van dergelijke cantilevers parallel zijn aangebracht, maakt het 10 vaststellen van het oppervlakte-profiel van objecten mogelijk. Daarmee kan op verscheidene objectpunten de afwijking van het oppervlakte profiel van een object precies worden gedetecteerd. Voor parallel-veren 2 van silicium worden bij voorkeur punten 5.1 gebruikt, die eveneens uit silicium bestaan. Voor parallel-15 veren 2 van kiezelglas worden de punten 5.1 bij voorkeur gevormd van hard materiaal of diamant.

Figuur 7b toont een uitvoering, waarbij aan de vrije einden van de silicium parallel-veren 2 zowel op de bovenzijde als op de er tegenover liggende onderzijde tastpunten 5.1 van 20 silicium zijn aangebracht. Een dergelijke opstelling kan bij voorkeur worden gebruikt voor het meten van boringen of groeven.

Figuur 8 toont een uitvoerings-voorbeeld van een parallelveer 2 in langsdoorsnede met piëzo-resistieve weerstanden 4. De einden van de bovenste veren 2.1 en van de onderste veren 2.2 25 zijn elk vast verbonden met afstands-stukken 3 van silicium of kiezelglas. Op de vrije einden van de bovenste veren 2.1 zijn balansschalen 5.2 aange-bracht, waarmee objecten kunnen worden opgenomen, die aan weging moeten worden onderworpen.

Figuur 9 toont een toepassings voorbeeld, waarbij 30 parallel-veren 2 met balansschalen 5.2 zijn opgenomen in toevoer- en afvoerinrichtingen 6 voor te wegen objecten 7. Met de toevoer- en afvoerinrichtingen 6 vindt het toe- en afvoeren plaats van de te wegen objecten 7 aan de balans-schalen 5.2. Bijgevolg kunnen de massa's van een aantal te wegen objecten 7 35 gelijktijdig worden vastgesteld.

Figuur 10 toont een opstelling van parallel-veren 2, waarvan de krachts-afhankelijke verzwenkingen contactloos 8 gemeten worden met aan het gestel 1 bevestigde interfero-meters 8. Als interferometers 8 worden bij voorkeur vlakke spiegel interferometers gebruikt. Wanneer de oppervlakken van de parallel-veren 2.1 aan hun einden een voldoende mate van 5 reflectie hebben, dan kunnen de meetstralen van de vlakke spiegel interferometer 8 direct op de oppervlakken van de parallel-veren 2 worden gericht. Voor een praktische optische meting van krachten en van afwijkingen van het oppervlakte profiel kan met dergelijke opstellingen behalve het hier 10 afgebeelde gebruik van eenstraals vlakke spiegel interferometers 8 het aftasten ook plaatsvinden door autofocus sensoren.

1035717

Claims

1. Inrichting voor het meten van krachten met een parallel-veer opstelling, waarbij: 5. een aantal parallel-veren (2) regelvormig zijn aange bracht, de parallel-veren (2) bestaan uit bovenste veren (2.1) en onderste veren (2.2), de parallel-veren (2) bij hun einden via afstands- 10 stukken (3) met elkaar zijn verbonden, de parallel-veren (2) en de afstands-stukken (3) uit silicium bestaan, de ene einden van de parallel-veren (2) zijn bevestigd aan een gestel (1), 15. op de vrije einden van de parallel-veren (2) meet- technische elementen (5) zijn aangebracht, zich in de parallel-veren (2) piëzo-resistieve weerstanden (4) bevinden, en de piëzo-resistieve weerstanden (4) symmetrisch ten 20 opzichte van de nulspannings-lijn zijn aangebracht en in een volledige Wheatstone brug zijn geschakeld.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de parallel-veren (2) in bovenaanzicht een symmetrische driehoeks- 25 vorm hebben.

3. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de op de vrije einden van de parallel-veren (2) aangebrachte meet-technische elementen (5) punten (5.1) van 30 silicium of diamant zijn.

4. Inrichting volgens een der conclusies 1 tot 3, met het kenmerk, dat boven de vrije einden van de parallel-veren (2) vlakke spiegel interferometers (8) zijn aangebracht. 35

5. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat aan de bovenzijde van de vrije einden van de parallel-veren (2) balansschalen (5.2) zijn bevestigd. 1035717