WO2004011892A1 - Feuchtigkeitsschutz für einen elektromechanischen wandler - Google Patents

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WO2004011892A1
WO2004011892A1 PCT/EP2003/050326 EP0350326W WO2004011892A1 WO 2004011892 A1 WO2004011892 A1 WO 2004011892A1 EP 0350326 W EP0350326 W EP 0350326W WO 2004011892 A1 WO2004011892 A1 WO 2004011892A1
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WO
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layer
strain gauge
polymer
multilayer
load cell
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PCT/EP2003/050326
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Volker Ziebart
Jean-Maurice Tellenbach
Original Assignee
Mettler-Toledo Gmbh
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Publication date
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Priority to AT03771117T priority patent/ATE461436T1/de
Priority to DE50312534T priority patent/DE50312534D1/de
Priority to AU2003262533A priority patent/AU2003262533A1/en
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
    • G01G3/1402—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports
    • G01G3/1412—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports the supports being parallelogram shaped
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
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    • G01G21/00—Details of weighing apparatus
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a load cell with a deformation body and with at least one strain gauge applied to the deformation body, which has a strain-sensitive electrical resistance track applied to a support and connecting electrodes for contacting the resistance track, the at least one strain gauge and optionally at least part of the deformation body with a multilayer layer is provided, as well as a single strain gauge or a row or surface arrangement of strain gauges, provided with a strain-sensitive electrical resistance track applied to a support, with a multi-layer layer covering the resistance track and at least part of the support.
  • the invention further relates to a method for producing a multilayer on a
  • Strain gauges or a row or surface arrangement of strain gauges, or on a load cell provided with a strain gauge.
  • a strain gauge has a metallic resistance track applied to a carrier, which is preferably produced in the form of a meandering structure by means of a known etching process. Furthermore are on the carrier
  • Connection electrodes for contacting the resistance track are available, these often being produced in one work step with the resistance track and thus mostly made of the same material.
  • Electrical insulators are used as carrier material for strain gauges; Depending on the area of application, glass, ceramics, often also polymers, glass fiber reinforced polymers or
  • Strain gauges are measuring elements in which a mechanical deformation causes a change in the electrical resistance and which are therefore used to measure the force causing the deformation.
  • strain gauges are used to convert a deformation caused by a force on a deformation body into one electrical signal used.
  • a deflection of the vertically movable load receiver with respect to the spatially fixed part of the deformation body occurs due to the force effect of a load on the weighing pan connected to the load receiver.
  • such deformation bodies have four elastic bending points formed by thin material areas, each of which is arranged at the four corner points of a parallelogram, the load receiver being arranged as a vertically movable parallelogram leg in relation to a likewise vertical parallelogram leg preferably attached to the scale housing.
  • the size of the deformation caused in the thin bending points is measured with at least one strain gauge applied to one of the bending points, usually by means of an electrically insulating adhesive layer, as a change in its electrical resistance.
  • polymeric carrier materials in particular polyimides, but also epoxies, are preferred in weighing technology.
  • Phenolic resins, melamines and ketones used for strain gauges Polymer supports have the advantage that they adapt better to the deformation body due to their lower rigidity. In particular, this reduces the mechanical load on the adhesive layer. Hysteresis effects or destruction of the adhesive layer connecting a rigid support with a deformation body occur far less here.
  • polymeric carrier materials for strain gauges with a meandering resistance track are known to enable load drift compensation by appropriately designing the reversal points of the resistance track.
  • strain gauges with polymeric supports are easier to handle and cheaper to manufacture.
  • polymers have the disadvantage that they have a relatively high absorption capacity for water, but also for solvents, so that the moisture content of the air surrounding a force measuring cell, but especially its changes, has a lasting influence on the measurement result.
  • the sensitivity, the stability of the zero point and the creep behavior, the so-called load drift are parameters influenced by the moisture - with respect to water and solvents - of a load cell loaded with strain gauges as a transducer. For the order of magnitude caused by changing these parameters
  • the carrier material of an unprotected strain gauge absorbs the moisture and swells as a result, so that the distance between the resistance track and the bending point increases and the deformation induced by the deforming bending point into the resistance track is slightly changed.
  • absorbed moisture changes the elastic properties of the carrier material and thus the deformation parameters of the resistance track.
  • increased moisture in the carrier material can cause leakage currents between adjacent areas of a meandering shape
  • Protective measures are necessary in order to obtain a measurement signal which is largely uninfluenced by environmental influences, in particular moisture acting on the carrier material and / or the resistance track.
  • DE 27 28 916 A1 describes the covering of a strain gauge applied to a measurement sensor.
  • an electrically insulating layer for example a resin, is applied, or the strain gauge is embedded in this layer, so that part of the sensor body is also covered by the strain gauge.
  • a metal layer is arranged on the electrically insulating layer, which also surrounds part of the sensor body Strain gauge covers. Encapsulation against moisture can thus be achieved for a strain gauge that has already been applied to a transducer.
  • a protective measure against moisture for strain gauges is known from US Pat. No. 5,631,622, in which, following their manufacture in a surface arrangement, even before the strain gauges are separated, an electrically insulating polymer layer is first applied to the strain gauges and a metal foil is laminated thereon as an additional cover becomes. Even after separation, a large area of the strain gauge is protected against moisture by the metal foil.
  • JP 7 113 697 A proposes that a thin inorganic film, for example SiO 2 with a thickness of about 100 nanometers (nm), so to speak, to prevent the penetration of moisture is applied as a moisture barrier layer on the surface of the strain gauge.
  • An inorganic insulation film, for example polyimide, with a thickness of approximately 10 micrometers ( ⁇ m) is then applied, by means of which microscopic holes or cracks in the inorganic film, so-called pinholes, through which moisture could continue to penetrate, become blocked.
  • the protective effect produced by this two-layer layer is not always satisfactory, especially in the case of the highly sensitive load cells designed for relatively low loads.
  • DE 40 15 666 C2 discloses a force transducer loaded with strain gauges, a strain gauge and the part of the carrier adjoining it being provided with a vapor-deposited, diffusion-tight, electrically insulating coating made of silicon oxide or silicon carbide, the layer thickness of which is preferably two to four micrometers.
  • the coating can also consist of a lower silicon oxide layer and an overlying metal layer, preferably a nickel layer.
  • the protective layers or foils covering the strain gauge as a whole, in particular the inorganic layers or foils with a high barrier effect are that they are applied directly to the strain gauges applied to the measurement transducer, or that they are applied to a large area arrangement of a large number of strain gauges after their manufacture, also change the measurement result determined with the strain gauge due to their comparatively large mass and high rigidity.
  • These measurement errors result from a so-called force shunt, caused by the covering of the measuring strip with a relatively thick layer or film on the order of a few micrometers, as disclosed in the prior art.
  • metal layers or foils contribute to a measurable force shunt due to their comparatively high rigidity from a thickness of just a few micrometers ( ⁇ m).
  • a force shunt results, for example, from the fact that thick inorganic protective layers, because of their high rigidity, make a significant contribution to the overall rigidity of the bending points of the deformation element mentioned at the beginning.
  • this is particularly problematic since the bending points here have only a small thickness in order to achieve high sensitivity.
  • undesired changes in the elastic properties of the protective layer such as anelastic aftereffect, high inelasticity, in particular strain hysteresis, lead to a measurement error that cannot be reproduced and therefore cannot be compensated for by software.
  • Strain gauges according to claim 19 or a row or surface arrangement of strain gauges according to claim 38 solved.
  • Methods for producing a multilayer layer as a protective layer on a deformation body of a load cell provided with at least one strain gauge according to claims 40 and 46 as well as on a single strain gauge, a row or surface arrangement of strain gauges according to claims 41, 45 or 53 also contribute to the solution of the task. Preferred embodiments result from the dependent claims.
  • the invention takes advantage of the excellent barrier properties which the predominantly inorganic materials have and, by using very thin barrier layers, reduces the inherently very high rigidity of thick inorganic layers which are used in the prior art. This is done by a multiple coating of an alternating sequence of thin barrier layers and thin polymer layers. Polymer layers, which only have a massive barrier effect and therefore often cannot offer adequate moisture protection on their own, but have a considerably lower stiffness, are suitable, together with thin, predominantly inorganic barrier layers, to give the multilayer layer a low overall stiffness. In this way, the advantages of a polymeric carrier material for a strain gauge mentioned at the outset associated with the low rigidity are retained. Very thin barrier layers within the multi-layer layer largely avoid the danger of the force shunt described above.
  • the stiffness of an approximately 5 nanometer (nm) to 200 nanometer (nm), in individual cases up to 500 nm, but preferably 10 nm to 50 nm, thick predominantly inorganic insulator or metal layer as a barrier layer is low and is approximately of the same order of magnitude as that of the neighboring polymer layers.
  • pinholes known from the coating technology for thin layers, i.e. microscopic holes or cracks in the
  • Barrier layers are also reduced by the polymer layers within the multi-layer layer. Hang the size and number of pinholes in a barrier layer namely, in addition to many other coating parameters and of course that
  • Layer material also depending on the roughness and flatness of the substrate, but only a little on the layer thickness.
  • a leveling effect of the polymer layers largely avoids the formation of pinholes or at least reduces their influence.
  • the multi-layer layers cover a strain gauge that has already been applied to a load cell or a strain gauge that can be applied to such a layer. They mainly serve to minimize the negative influences of otherwise penetrating moisture on the result measured with such a load cell and, at the same time, to largely prevent a force shunt that falsifies this measurement result, which occurs, for example, when using thick barrier layers or foils.
  • FIG. 1 shows a deformation body of a load cell with strain gauges attached to the respective regions of low material thickness that form the flexible bearings, in a three-dimensional representation
  • FIG. 2 shows an enlarged, three-dimensional representation of the region of the deformation body enclosed by circle A in FIG. 1 with a strain gauge attached to it, which is provided with a multilayer layer,
  • FIG. 4 shows a single strain gauge with an applied multilayer layer in section
  • FIG. 5 shows another embodiment of a strain gauge with a cross-section of a multilayer layer applied directly to the carrier
  • FIG. 6 shows a row arrangement of strain gauges with slots in the carrier material between adjacent strain gauges
  • FIG. 7 shows a surface arrangement of strain gauges with slots in the carrier material between adjacent strain gauges.
  • Figure 1 shows the deformation body 1 of a load cell with four to the
  • the load receiver 9 of the deformation body 1 shown on the left in the figure is movable in the vertical direction. Is on a weighing pan not visible here - which can be attached to the load receiver 9 by means of several screws in the threads 10 - one
  • strain gauges 13 are glued to the bending points 2, 4 on the upper side 12 of the deformation body 1, which have a strain-dependent resistance track 14, which is preferably arranged in a meandering shape on a carrier 15. Strain gauges 13 are preferably arranged not only on the bending points 2, 4 facing the top 12 of the deformation body 1, but also on those on the underside of the deformation body 1, which are not visible in the drawing.
  • the strain gauges 13 are provided with a multi-layer layer 16 for protection against penetrating moisture, that is to say water or solvent, the structure and mode of operation of which will be explained in detail below.
  • the multilayer 16 is shown here as transparent. However, there is no need for the multilayer layers 16 to be transparent to light in their real form.
  • the multilayer 16 has been applied directly to the strain gauge 13 already connected to the deformation element 1, for example by vapor deposition.
  • the epoxy resin frequently used as an adhesive material which was used here to stick the strain gauge onto the deformation body and which extends somewhat beyond the surface edge of the strain gauge, is also covered (see FIG. 2). This means that moisture-related influences of the adhesive material on the
  • the value for the permeation of water or solvents in the case of an uncoated strain gauge, which is applied to a polyimide carrier that has already been optimized with regard to moisture absorption is one gram per square meter and day (1 g / m 2 / d ), under the conditions of a difference in ambient humidity of 90% RH and a temperature of 23 ° C.
  • This value is reduced by several powers of ten by means of the coating of the strain gauge according to the invention, so that the above-mentioned parameters of a load cell experience a corresponding rate of change.
  • vapor deposition in air will preferably be used as a particularly inexpensive coating method.
  • a coating method known as combustion chemical vapor deposition (CCVD)
  • CCVD combustion chemical vapor deposition
  • FIG. 2 the area of the deformation body 1 enclosed by the circle A in FIG. 1 is shown enlarged. It is, as in FIG. 1, the strain gauge 13 applied to the bending point 2 with the latter and part of it Top 12 of the deformation body 1, in particular also the multilayer layer 16 covering the above-mentioned adhesive layer 21. For the sake of clarity, the multilayer layer 16 is again transparent and is shown broken on its side pointing to the right in the figure. In addition, the connection electrodes 17 of the meandering resistance track can be seen. These must of course also be accessible after the application of a multilayer 16 for the connection of the detecting bridge circuit (not shown here). At the same time, however, the multilayer 16 should not be damaged beyond the surface of the contact point when making contact.
  • connection electrodes 17 can already have a drop of the electrically conductive connecting material applied to them before coating, ie the contact points 18 shown as oval in the figure can be created, only the part of the multilayer layer 16 which covers the contact point 18 being opened during the contacting process will and other areas of the multilayer 16 remain undamaged.
  • FIG. 3 shows a three-dimensional representation of a single strain gauge 13, which is provided with a multilayer 16, which can also be used for a multilayer arrangement according to FIGS. 1 and 2.
  • the multi-layer layer 16 is again drawn transparently and broken. It consists of a regular sequence of polymer layers 19, preferably of a polyacrylate or polymethacrylate, and barrier layers 20, of a predominantly inorganic insulator, the polymer layers 19 typically having a thickness of 50 to 500 nm, preferably 100 nm to 200 nm, in individual cases but can also have a layer thickness of up to 1500 nm.
  • the layer thickness of the barrier layers 20 is typically between 5 nm and 200 nm, preferably between 10 nm and 50 nm, in individual cases can also be up to 500 nm.
  • FIG. 4 shows a section through a strain gauge 13 with an applied multilayer layer 16 consisting of a total of five thin individual layers.
  • the drawing is highly schematic and it is the respective thickness of the carrier 15 that Resistance path 14 and barrier layers 20 and polymer layers 19 ', 19 ", 19'" are not drawn to scale here.
  • the first layer 19 ′ of the multilayer layer 16, which is directly adjacent to the carrier 15 and in the areas of the resistance path 14 applied to the carrier 15 and contacts the carrier and resistance path, is preferably an acrylate polymer layer, which serves to increase the roughness of the carrier 15 and the resistance path 14 smooth. Under certain circumstances, it can have a greater thickness than the further polymeric intermediate layers 19 ′′ of the multilayer layer 16. With such acrylate polymer layers, the roughness of a base can be leveled out in the nanometer range that the formation of pinholes in the first barrier layer 20 is reduced by the smoothing effect of their base.
  • a so-called polymer layer fulfills this requirement by virtue of its properties which flatten out on the nanometer scale on the one hand and on the other hand
  • Micrometer scale both to a certain extent leveling out and also covering the surfaces that are predominantly perpendicular to the layer plane. Thus, it creates the prerequisite for the formation of uniformly thick and low-defect barrier layers 20 and subsequent layers of the multilayer 16.
  • a thin insulating sub-layer between the carrier 15 for the purpose of cleaning, for example plasma cleaning or in the areas of the resistance track 14 applied to the carrier 15 and the leveling out first polymer layer 19 ' arises. It may also prove necessary that, for the purpose of improved adhesion of the leveling polymer layer 19 ', an insulating sub-layer, preferably consisting of a few atomic layers, below the first
  • Polymer layer 19 ' is arranged.
  • a polymeric intermediate layer follows the first barrier layer 20.
  • their function is also to reduce the formation of pinholes in a further barrier layer 20 following the intermediate layer 19 ′′ owing to their smoothing action.
  • the intermediate layer 19 ′′ prevents the small number of those which have arisen Pinholes of a second barrier layer 20 fix themselves on those of the first barrier layer 20, which would favor the passage of moisture again.
  • the mutually independent localization of the pinholes in the first and in the second barrier layer 20 creates a type of labyrinth for penetrating moisture, in particular water or solvent molecules. In a multilayer coating with successive barrier layers 20 and polymer layers 19, this labyrinth effect leads to a drastic reduction in moisture penetration.
  • the multilayer layer 16 shown in FIG. 4 has five thin individual layers, of which the first layer is the leveling polymer layer 19 'and the layer which forms the boundary layer with the ambient atmosphere is in turn a polymer layer 19' "in order to protect the multilayer layer 16 primarily against mechanical damage
  • the multilayer 16 can have further individual layers, the sequence of the polymer layer 19 and the barrier layer 20 can in principle be repeated as often as desired, but the multilayer 16 can also consist of a total of only three thin individual layers, preferably a sequence of polymer layers 19 '.
  • a large number of the known inorganic insulators which can be applied in various coating processes can be used as materials for the barrier layers 20.
  • examples include oxides, nitrides, fluorides, carbides, borides or combinations thereof, in particular oxynitrides, or mixed ceramics.
  • silicon oxide, titanium oxide, chromium oxide, aluminum oxide, silicon nitride and titanium nitride have been used as material for the Barrier layers 20 proven.
  • the so-called “diamond-like carbon” layers can also be used as possible barrier layers 20.
  • Metals for example silver, aluminum, gold, chromium, copper, nickel, titanium, as well as alloys, for example nickel-cobalt alloys, or intermetallic materials, in particular, also come as further materials for the barrier layers 20
  • Connections for example made of aluminum and copper, made of tungsten and copper or made of titanium and aluminum are possible.
  • polymeric materials can also be used for the polymer layers 19.
  • examples include: polymeric amides, alkyds, styrenes, xylylenes, phenylenes, aldehydes, esters, urethanes, epoxies, imides, phenols, ketones and fluoropolymers or copolymers, the list being non-exhaustive here.
  • the optimization between the barrier effect, the combinability of the barrier layer 20 and the polymer layer 19, and the economy of the coating method decide on the use of the barrier layer material as well as on the use of the polymer material.
  • polymeric intermediate layers 19 "or polymer cover layer 19 '" are inorganic-organic hybrid polymers with the trade name "ORMOCER”. These materials, which are described in DE 38 28 098 A1 and DE43 03 570 A1 , have good elasticity and a certain barrier effect against penetrating
  • ORMOCERs Humidity.
  • these materials can be separated in air, for example by spray, spin or pad printing processes.
  • a thin barrier layer 20 has a correspondingly low rigidity. Therefore, in cooperation with the inherently flexible polymer layer 19, only a minimal force shunt due to the application of a multilayer layer 16 with ultra-thin barrier layers 20 on strain gauges 13 is to be feared. For the same reason, there is a risk of the ultrathin peeling off Barrier layers 20 massively reduced from their base (delamination) and could not be observed for materials used in the context of the invention.
  • strain gauges 13 can be carried out after the production of the strain gauges 13, as long as they are still in a row or surface arrangement.
  • the side surfaces, in particular the carrier film remain open and moisture penetrating is accessible.
  • the protective effect of the multilayer 16 according to the invention is still quite high.
  • strain gauges 13 can be produced whose moisture absorption, depending on the materials used, is a factor of 50 to 1000 lower than that of uncoated strain gauges.
  • FIG. 6 shows a row arrangement 30 of strain gauges 13.
  • the carrier 31 of the row arrangement 30 is broken through by narrow slots 32 oriented transversely to the longitudinal extent of the row arrangement 30, the slots 32 not covering the entire width of the carrier 31 of the row arrangement 30 are sufficient.
  • the slots 32 can be produced in the carrier 31 by various methods such as water cutting, laser cutting or, preferably, by punching. This is done before the row arrangement 30 is covered with a
  • Protective layer in particular a multilayer layer 16 described above.
  • the edges of a strain gauge are except for during the Coating existing connection points 33 of the carrier 31 which are as small as possible and which are severed when the strain gauges 13 are subsequently separated are likewise provided with a protective layer.
  • FIG. 7 shows a surface arrangement 35 of strain gauges 13 in which, in the areas between the individual resistance tracks 14 connected to their respective connection electrodes 17, slots 32 and slots 34 arranged perpendicular to them break through the carrier 36 of the surface arrangement 35, so that this only at four connection points each 37 is connected to each strain gauge 13.
  • the slots 32, 34 are created at those locations on a carrier at which the strain gauges 13 are separated out of the surface arrangement 35 when the gauges 13 are separated later.
  • Such a slot arrangement can, however, be varied in many ways, for example in such a way that the slots partially form a right angle around the resistance tracks 14 connected to their respective connection electrodes 17 and are only linked to one another at two or three connection points of the carrier 36.
  • strain gauges can also be linked together at more than four connection points.
  • connection of the carrier 31, 36 at the connection points 33, 37 that is to keep the area of the connection points 33, 37 so small that on the one hand the edges of a strain gauge 13 are covered by the protective layer in the largest possible area can, on the other hand, there is still a sufficiently high cohesion of the carrier 31, 36 for handling the row arrangement 30 or surface arrangement 35 of strain gauges 13. It has been shown that in this way the penetration of moisture compared to strain gauges from a row or surface arrangement of the prior art is reduced and the sensitivity of a load cell loaded with such strain gauges can be sustainably improved.
  • the width of a slot 32, 37 is to be selected such that on the one hand not too much carrier material is lost between the individual strain gauges 13 and on the other hand that the coating materials to be applied are sufficient Ensure coverage of the side edges of a strain gauge 13.
  • a width of approximately 0.5 mm is mentioned here as an orientation value.
  • the individual barrier layers 20 are not necessarily made of the same material.
  • the polymer layers 19 are likewise not restricted to a single material.
  • barrier layers 20 from partial layers, either by using identical or different materials.
  • Such multi-layer barriers with different internal structures increase the labyrinth effect.
  • a composition of partial layers is also conceivable for individual polymer layers 19 ', 19 ", 19'". It is only important here that the barrier layers 20 and the polymer layers 19 are thin, i.e. their respective layer thickness is in the range of the above-mentioned values, and that the total thickness of the multilayer layer 16 for strain gauges that can be applied to highly sensitive force measuring cells does not exceed one micrometer, but at most no more than ten micrometers, and thus no significant force shunt occurs.
  • the respective thickness of the individual barrier layers or polymer layers within a multi-layer layer but especially their total layer thickness, apart from the fact that also used coating materials or other coating parameters play a role, a function of the load capacity and the required sensitivity of the load cells provided with such coated strain gauges.
  • Multilayer is, in particular the thinner the barrier layers contained therein, the better it is suitable for use as a protective layer on strain gauges.
  • a load cell used in the field of weighing technology if it is specified for loads below a kilogram, has a coating on it
  • Strain gauges can have their total thickness, that is the thickness of the Multilayer, can be up to ten micrometers, but is preferably less than five micrometers, but in particular less than one micrometer.
  • the total thickness of the multilayer layer can be up to fifteen micrometers, but is preferably less than ten micrometers, but in particular less than five micrometers.
  • Kilograms of applied strain gauges can be covered with a multi-layer layer or with a film with a multi-layer layer in the micrometer range without the force shunt having any significant influence on the weighing result.
  • the multilayer 16 is composed of an alternating sequence of a polymer layer 19, in particular a polyacrylate or polymethacrylate layer and a barrier layer 20, preferably of silicon oxide or aluminum oxide, the materials used in each case being uniform due to the choice of an efficient coating method are just as homogeneous as the individual layers.
  • the boundary layer to the carrier 15 or to the resistance track 14 and the connection electrodes 17 is a polymer layer 19 ', this is not absolutely necessary for the boundary layer to the surrounding atmosphere, although preferred, since a final polymer layer 19' 'provides good mechanical and possibly chemical protection for a last one Offers barrier layer 20.
  • the polymer material used for the final polymer layer 19 ′ ′′ is optionally selected with regard to the property of being able to offer particularly good mechanical and / or chemical protection.
  • Strain gauge 13 to apply only a partial coating to such.
  • Only the meandering structure of the resistance track 14 can be coated here, since moisture penetrating here has the greatest effect, or the coating is preferably carried out in the area of the reversal points 22 of the meandering structure (see FIG. 3) of the resistance track 14.
  • these can also be left free of a coating. For this purpose, it is necessary to work with masks when coating, which leave the areas to be coated free.
  • the concept of the invention also includes the large-scale production of polymer films provided with a multilayer layer 16, for example polyimide films, which are then used as a carrier material for the coating
  • Strain gauges are used, i.e. they are provided with a resistance track on the coated side.
  • a strain gauge 13 ' is shown in a highly schematic manner in FIG. 5, the multilayer 16 here consisting of seven individual layers.
  • Such strain gauges 13 ' are applied in the usual manner, for example, to the deformation element 1 of a load cell.
  • the resistance track 14 is not protected per se from changes in the humidity of the ambient atmosphere, but the carrier 15, which mainly causes measurement errors as described above, is largely protected, so that the moisture-induced influences on the measurement result are at least reduced.
  • the application of a strain gauge 13 ', the resistance track 14 of which is applied to the side of the support 15 provided with the multilayer 16, on the deformation body 1 of a load cell can also be done in such a way that the resistance track 14 faces the deformation body 1 in an electrically insulating manner Interlayer acting adhesive material is embedded.
  • the coated carrier film which is preferably not too thick, takes on the task of the protective layer and, above all, protects the adhesive layer 21 and the resistance track 14 from the effects of changing moisture.
  • a carrier film which has already been provided with a multilayer 16 for protection against penetrating moisture can also be provided on its uncoated side with the stretch-dependent resistance track 14.
  • a strain gauge with the resistance track 14 facing the deformation body 1 is to be applied embedded in an adhesive material with very good electrical insulating properties.
  • strain gauges in a load cell can also prove useful to provide the deformation element 1 with an electrically insulating covering, at least in the area of the bending points, before the strain gauges are applied, so that the adhesive layer does not exclusively function as an electrical insulation took over.
  • a multilayer 16, consisting of an alternating sequence of polymer layers 19 and barrier layers 20, can also easily be applied to a thin, polymer film, for example made of a polyacrylate, polymethacrylate, polyimide, PET, fluoropolymer or one of the polymers mentioned at the beginning for use as a carrier material.
  • the coated film is then laminated to a strain gauge 13, either with the multilayer 16 or with the thin polymer film in contact with the carrier 15 and the resistance track 14.
  • a coating of the carrier film described above it is advantageous that the film coating is very inexpensive as an industrial process.
  • Such a film which is designed as a multilayer, can now also be applied via a strain gauge 13, which is applied directly to a deformation element 1 of a load cell, which is preferably designed for medium to high load capacities.
  • the strain gauge does not necessarily have to be connected to a film as the carrier 15, but can be applied directly to an electrically insulating covering of the deformation body 1, the deformation body 1 with the electrically insulating covering, which is created, for example, by anodizing an aluminum deformation body, as Carrier for the resistance track 14 and the connection electrodes 17 acts.
  • the preferred method for producing a multilayer layer 16 on a single strain gauge 13 or a strain gauge 13 already applied to the deformation element 1 of a force measuring cell comprises the following steps: applying a polymer layer 19 'which flares out in the nanometer range with a Thickness, which is between 200 nm and 1500 nm, on at least part of the
  • Barrier layer 20 repetition of the process of coating with a barrier layer 20 and a polymer layer 19 ′′ as often as desired, with the boundary layer being
  • a polymer layer 19 '"or a thin barrier layer 20 may be present.
  • the base of the multilayer 16 be it the carrier 15, a carrier film, the resistance track 14 or part of the deformation body 1 of a force measuring cell, to plasma cleaning or chemical cleaning before the start of the coating process.
  • barrier layers 20 A large selection of coating processes is available when applying the multilayer. Examples for the generation of the barrier layers 20 are vapor deposition in vacuum, vapor deposition in air, plasma coatings, “sputtering”, sol-gel methods, “chemical vapor deposition (CVD)”, “combustion chemical vapor deposition (CCVD)”, “plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) ",” plasma impulse chemical vapor deposition (PICVD) ", and, in particular for the application of metals, electrochemical deposition.
  • CVD chemical vapor deposition
  • CCVD combustion chemical vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • PICVD plasma impulse chemical vapor deposition
  • the following coating methods are possible for applying the polymer layers: vapor deposition in vacuum, vapor deposition in air , in-situ polymerization of monomers or oligomers applied by "flash evaporation” or plasma coatings, and electrophoresis, cataphoresis or anaphoresis.
  • a method has proven to be particularly efficient for coating strain gauges 13 which can be applied or applied to the deformation body 1 of a load cell, with a multilayer 16 if the production of the multilayer 16 by alternating coating with polymer layers 19 and Barrier layers 20 take place within a coating apparatus by means of two sources in one operation.

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Abstract

Für auf einen Verformungskörper (1) einer Kraftmesszelle aufgebrachte oder aufbringbare Dehmessstreifen (13, 13') wird eine Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht gegen eindringende Feuchtigkeit vorgeschlagen. Ein Dehnmessstreifen(13) weist eine dehnungsempfindliche, auf einem Träger (15) aufgebrachte elektrische Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektroden (17) zur Kontaktierung der Widerstandsbahn (14) auf, wobei der Dehnmessstreifen (13, 13') mit einer mindestens einen Teil des Trägers (15) und/oder der Widerstandsbahn (14) und/oder der Anschlusselektroden (17) bedeckenden Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht gegen das Eindringen von Feuchtigkeit versehen ist. Die Mehrlagenschicht (16) setzt sich aus einer abwechselnden Folge von einer Polymerschicht (19) und einer Barriereschicht (20) zusammen und besteht aus mindestens drei dünnen Einzelschichten. Im Falle des Aufbringens einer Mehrlagenschicht (16) auf einen bereits am Verformungskörper einer Kraftmesszelle applizierten Dehnmessstreifen (13, 13') kann die Mehrlagenschicht (16) zusätzlich auch einen Teil des Verformungskörpers (1) bedecken.

Description

Feuchtigkeitsschutz für einen elektromechanischen Wandler
Die Erfindung betrifft eine Kraftmesszelle mit einem Verformungskörper und mit mindestens einem auf dem Verformungskörper aufgebrachten Dehnmessstreifen, welcher eine dehnungsempfindliche auf einem Träger aufgebrachte elektrische Widerstandsbahn und Anschlusselektroden zur Kontaktierung der Widerstandsbahn aufweist, wobei der mindestens eine Dehnmessstreifen und gegebenenfalls mindestens ein Teil des Verformungskörpers mit einer Mehrlagenschicht versehen ist, sowie einen einzelnen Dehnmessstreifen oder eine Reihen- oder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen, versehen mit einer dehnungsempfindlichen auf einem Träger aufgebrachten elektrischen Widerstandsbahn, mit einer die Widerstandsbahn und mindestens einen Teil des Trägers bedeckenden Mehrlagenschicht. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrlagenschicht auf einem
Dehnmessstreifen, oder einer Reihen- oder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen, beziehungsweise auf einer mit einem Dehnmessstreifen versehenen Kraftmesszelle.
Ein Dehnmessstreifen weist eine auf einem Träger aufgebrachte metallische Widerstandsbahn auf, welche vorzugsweise in Form einer Mäanderstruktur mittels bekanntem Ätzverfahren hergestellt wird. Ferner sind auf dem Träger
Anschlusselektroden zur Kontaktierung der Widerstandsbahn vorhanden, wobei diese häufig in einem Arbeitsgang mit der Widerstandsbahn entstehen und somit meist aus demselben Material bestehen. Als Trägermaterial für Dehnmessstreifen werden elektrische Isolatoren verwendet; je nach Anwendungsbereich findet man Glas, Keramik, häufig auch Polymere, glasfaserverstärkte Polymere oder
Kompositmaterialien. Dehnmessstreifen sind Messelemente, bei welchen eine mechanische Verformung eine Änderung des elektrischen Widerstandes hervorruft, und welche daher zur Messung der die Verformung bewirkenden Kraft benutzt werden.
In der Wägetechnologie, beispielsweise, werden Dehnmessstreifen zur Wandlung einer durch eine Kraft auf einen Verformungskörper bewirkten Verformung in ein elektrisches Signal verwendet. In einer solchen Kraftmesszelle entsteht eine Auslenkung des vertikal beweglichen Lastaufnehmers gegenüber dem räumlich feststehenden Teil des Verformungskörpers durch die Kraftwirkung einer Last auf der mit dem Lastaufnehmer verbundenen Waagschale. In einer bevorzugten Ausbildungsform weisen solche Verformungskörper vier durch dünne Materialbereiche geformte, elastische Biegestellen auf, welche jeweils an den vier Eckpunkten eines Parallelogramms angeordnet sind, wobei der Lastaufnehmer als vertikal beweglicher Parallelogrammschenkel gegenüber einem vorzugsweise am Waagengehäuse befestigten, ebenfalls vertikalen Parallelogrammschenkel angeordnet ist. Die Grosse der in den dünnen Biegestellen hervorgerufenen Verformung wird mit mindestens einem auf einer der Biegestellen, meist mittels einer elektrisch isolierenden Klebeschicht aufgebrachten Dehnmessstreifen als Änderung seines elektrischen Widerstands gemessen.
Aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften werden in der Wägetechnologie bevorzugt polymere Trägermaterialien, insbesondere Polyimide, aber auch Epoxide,
Phenolharze, Melamine und Ketone für Dehnmessstreifen verwendet. Polymere Träger haben den Vorteil, dass sie sich aufgrund ihrer geringeren Steifigkeit dem Verformungskörper besser anpassen. Insbesondere wird dadurch die mechanische Belastung der Klebeschicht reduziert. Hystereseeffekte oder eine Zerstörung der einen starren Träger mit einem Verformungskörper verbindenden Klebeschicht treten hier weitaus weniger auf. Zusätzlich ermöglichen polymere Trägermaterialien bei Dehnmessstreifen mit einer mäanderförmig ausgebildeten Widerstandsbahn bekanntermassen eine Lastdriftkompensation durch eine entsprechende Ausbildung der Umkehrstellen der Widerstandsbahn. Im Übrigen sind Dehnmessstreifen mit polymeren Trägern besser handhabbar und preisgünstiger herzustellen.
Polymere besitzen jedoch den Nachteil, dass sie eine relativ hohe Aufnahmefähigkeit für Wasser, aber auch für Lösungsmittel aufweisen, so dass der Feuchtigkeitsgehalt der eine Kraftmesszelle umgebenden Luft, insbesondere aber dessen Änderungen, einen nachhaltigen Einfluss auf das Messresultat hat. Beispielsweise sind die Empfindlichkeit, die Stabilität des Nullpunkts und das Kriechverhalten, die sogenannte Lastdrift, von der Feuchtigkeit - betreffend Wasser und Lösungsmitteln - beeinflusste Parameter einer mit Dehnmessstreifen als Wandler beaufschlagten Kraftmesszelle. Für die Grössenordnung der durch Änderung dieser Parameter verursachten
Änderungen des Wägeresultats wurden einige zehn bis einige hundert parts-per- million (ppm) des Vollausschlages (Signal bei Volllast) im Falle einer stufenförmigen
Änderung des Feuchtigkeitsgehalts der eine Kraftmesszelle umgebenden Luft von ca. 30% relativer Feuchtigkeit (rF) auf 85% rF im typischen Temperaturbereich zwischen
10°C und 40°C gemessen.
Einige dieser zu Änderungen der Messresultate führenden Ursachen sind erkannt und physikalisch erklärbar. Zum Ersten nimmt das Trägermaterial eines ungeschützten Dehnmessstreifens die Feuchtigkeit auf und quillt dadurch auf, so dass sich der Abstand der Widerstandsbahn zur Biegestelle vergrössert und dadurch die von der sich verformenden Biegestelle in die Widerstandsbahn induzierte Verformung geringfügig verändert wird. Zum Zweiten ändert aufgenommene Feuchtigkeit die elastischen Eigenschaften des Trägermaterials und damit die Verformungsparameter der Widerstandsbahn. Zum Dritten kann eine erhöhte Feuchtigkeit des Trägermaterials Leckströme zwischen benachbarten Bereichen einer mäanderförmigen
Widerstandsbahn, oder gar zwischen der Widerstandsbahn und dem metallischen Verformungskörper hervorrufen. Diese Effekte sind zwar relativ zum Vollausschlag klein, wie oben genannte Messwerte zeigen, jedoch für eine Kraftmesszelle, die höchsten Genauigkeitsanforderungen zu genügen hat, ist ihr Einfluss auf das Messsignal noch zu gross. Daher sind Schutzvorrichtungen und/oder
Sc utzmassnahmen erforderlich, um ein von Umgebungseinflüssen, insbesondere von auf das Trägermaterial und/oder die Widerstandsbahn einwirkender Feuchtigkeit, weitgehend unbeeinflusstes Messsignal zu erhalten.
Im Stand der Technik sind solche Massnahmen zum Schutz von Dehnmessstreifen vor eine Veränderung des Messsignals bewirkender Feuchtigkeit bekannt. So beschreibt die DE 27 28 916 A1 die Bedeckung eines auf einem Messgrössenaufnehmer aufgebrachten Dehnmessstreifens. Zunächst wird eine elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise ein Harz aufgebracht, beziehungsweise der Dehnmessstreifen wird in diese Schicht eingebettet, so dass auch ein Teil des Aufnehmerkörpers um den Dehnmessstreifen abgedeckt wird. Auf die elektrisch isolierende Schicht wird eine Metallschicht angeordnet, die ebenfalls einen Teil des Aufnehmerkörpers um den Dehnmessstreifen abdeckt. Somit kann eine Kapselung gegen Feuchtigkeit für einen bereits auf einem Aufnehmer aufgebrachten Dehnmessstreifen erreicht werden.
Aus der US 5 631 622 ist eine Schutzmassnahme gegen Feuchtigkeit für Dehnmessstreifen bekannt, bei der anschliessend an deren Herstellung in einer Flächenanordnung, noch vor der Vereinzelung der Dehnmessstreifen, zunächst eine elektrisch isolierende Polymerschicht auf die Dehnmessstreifen aufgebracht wird und darauf eine Metallfolie als zusätzliche Abdeckung laminiert wird. Auch nach der Vereinzelung ist ein Dehnmessstreifen grossflächig durch die Metallfolie gegen Feuchtigkeitseinwirkung geschützt.
Um einen Dehnmessstreifen vor Korrosion zu schützen und die Messeigenschaften zu verbessern, wird in der JP 7 113 697 A vorgeschlagen, dass zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit ein dünner anorganischer Film, beispielsweise Si02 mit einer Dicke von etwa 100 Nanometern (nm), sozusagen als Feuchtigkeitsbarriereschicht auf die Oberfläche des Dehnmessstreifens aufgebracht wird. Anschliessend wird ein anorganischer Isolationsfilm, beispielsweise Polyimid mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometern (μm) aufgebracht, mittels dessen mikroskopisch kleine Löcher oder Risse im anorganischen Film, sogenannte Pinholes, durch welche weiterhin Feuchtigkeit eindringen könnte, verstopft werden. Die durch diese zweilagige Schicht erzeugte Schutzwirkung ist nicht immer befriedigend, insbesondere bei den für relativ niedrige Lasten ausgelegten, hochempfindlichen Kraftmesszellen.
Die DE 40 15 666 C2 offenbart einen mit Dehnmessstreifen beaufschlagten Kraftaufnehmer, wobei ein Dehnmessstreifen und der daran angrenzende Teil des Trägers mit einer aufgedampften diffusionsdichten elektrisch isolierenden Beschichtung aus Siliziumoxid oder Siliziumkarbid versehen wird, deren Schichtdicke vorzugsweise zwei bis vier Mikrometer beträgt. In einer anderen Ausführungsform kann die Beschichtung auch aus einer unteren Siliziumoxidschicht und einer darüber befindlichen Metallschicht, vorzugsweise einer Nickelschicht, bestehen.
Die Problematik bei den oben genannten Lösungen besteht darin, dass die den Dehnmessstreifen insgesamt bedeckenden Schutzschichten oder -folien, insbesondere die anorganischen Schichten oder Folien mit hoher Barrierewirkung, sei es, dass diese direkt auf den am Messgrössenaufnehmer applizierten Dehnmessstreifen, oder dass diese auf eine grossflächige Anordnung einer Vielzahl von Dehnmessstreifen anschliessend an deren Herstellung aufgebracht werden, aufgrund ihrer vergleichsweise grossen Masse und hohen Steifigkeit ebenfalls das mit dem Dehnmessstreifen ermittelte Messresultat verändern. Diese Messfehler entstehen durch einen sogenannten Kraftnebenschluss, verursacht durch die Bedeckung des Dehmessstreifens mit einer relativ dicken Schicht oder Folie in der Grössenordnung von einigen Mikrometern, wie sie der Stand der Technik offenbart. Insbesondere Metallschichten oder -folien tragen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Steifigkeit bereits ab einer Dicke von wenigen Mikrometern (μm) zu einem messbaren Kraftnebenschluss bei. Ein solcher Kraftnebenschluss entsteht beispielsweise dadurch, dass dicke anorganische Schutzschichten wegen ihrer hohen Steifigkeit signifikant zur Gesamtsteifigkeit der eingangs genannten Biegestellen des Verformungskörpers beitragen. Im Falle von Kraftmesszellen zum Messen kleiner Kräfte ist dies besonders problematisch, da hier die Biegestellen zum Erzielen einer hohen Empfindlichkeit nur eine geringe Dicke aufweisen. Das heisst unerwünschte Veränderungen der elastische Eigenschaften der Schutzschicht, wie zum Beispiel anelastische Nachwirkung, hohe Inelastizität, insbesondere Dehnungshysterese, führen zu einem nicht reproduzierbaren und damit auch softwaretechnisch nicht kompensierbaren Messfehler.
Andererseits ist es natürlich erforderlich, Durchgangsbereiche für die Feuchtigkeit, die bevorzugt in sehr dünnen Feuchtigkeitsbarriereschichten entstehen können, die sogenannten Pinholes, wie sie die JP 7 113 697 A beschreibt, in einer solchen Barriereschicht weitestgehend zu vermeiden oder zumindest deren Einfluss zu verringern.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für auf einen Verformungskörper einer Kraftmesszelle aufgebrachte oder aufbringbare Dehnmessstreifen eine Schutzschicht vorzuschlagen, welche einerseits das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert, andererseits einen Kraftnebenschluss vermeidet oder zumindest erheblich verringert. Diese Aufgabe wird durch eine Kraftmesszelle gemäss Anspruch 1 sowie einen
Dehnmessstreifen gemäss Anspruch 19 beziehungsweise eine Reihen oder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen gemäss Anspruch 38 gelöst. Verfahren zur Erzeugung einer Mehrlagenschicht als Schutzschicht auf einem mit mindestens einem Dehnmessstreifen versehenen Verformungskörper einer Kraftmesszelle nach den Ansprüchen 40 und 46 sowie auf einem einzelnen Dehnmessstreifen, einer Reihenoder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen nach den Ansprüchen 41 , 45 oder 53 tragen ebenfalls zur Lösung der Aufgabe bei. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung nutzt die ausgezeichneten Barriereeigenschaften, welche die vorwiegend anorganischen Materialien aufweisen, aus und reduziert durch die Verwendung sehr dünner Barriereschichten die an sich sehr hohe Steifigkeit von dicken anorganischen Schichten, welche im Stand der Technik verwendet werden. Dies erfolgt durch eine Mehrfachbeschichtung aus einer abwechselnden Folge von dünnen Barriereschichten und dünnen Polymerschichten. Polymerschichten, die zwar nur eine massige Barrierewirkung zeigen, und daher oftmals für sich alleine keinen ausreichenden Feuchtigkeitsschutz bieten können, dafür aber eine erheblich geringere Steifigkeit besitzen, sind dazu geeignet, zusammen mit dünnen, vorwiegend anorganischen Barriereschichten der Mehrlagenschicht insgesamt eine niedrige Steifigkeit zu verleihen. Auf diese Weise bleiben die eingangs erwähnten mit der geringen Steifigkeit verbundenen Vorteile eines polymeren Trägermaterials für einen Dehnmessstreifen erhalten. Durch sehr dünnen Barriereschichten innerhalb der Mehrlagenschicht wird die Gefahr oben beschriebenen Kraftnebenschlusses weitestgehend vermieden. Die Steifigkeit einer etwa 5 Nanometer (nm) bis 200 Nanometer (nm), in Einzelfällen bis 500 nm, vorzugsweise jedoch 10 nm bis 50 nm, dicken vorwiegend anorganischen Isolator- oder Metallschicht als Barriereschicht ist gering und liegt etwa in der gleichen Grössenordnung, wie die der ihr benachbarten Polymerschichten.
Die aus der Beschichtungstechnologie für dünne Schichten bekannten, sogenannten Pinholes, das heisst mikroskopisch kleine Löcher oder auch Risse in den
Barriereschichten, werden durch die Polymerschichten innerhalb der Mehrlagenschicht ebenfalls reduziert. Grosse und Anzahl der Pinholes in einer Barriereschicht hängen nämlich, neben vielen anderen Beschichtungsparametem und natürlich dem
Schichtmaterial, auch von der Rauhigkeit und Ebenheit des Untergrundes ab, aber nur wenig von der Schichtdicke. Durch einen ausebnenden Effekt der Polymerschichten wird die Entstehung von Pinholes weitgehend vermieden oder zumindest deren Einfluss verringert. Die Abfolge von dünnen Barriereschichten mit einer Dicke von etwa
5 nm bis 200 nm, in Einzelfällen bis 500 nm, vorzugsweise jedoch 10 nm bis 50 nm, und Polymerschichten der Dicke von 50 nm bis etwa 1500 nm bewirkt für obengenannte Pinholes erstens eine gewisse Abdichtung und zweitens gewährleistet sie, dass Pinholes zweier „benachbarter" Barriereschichten örtlich versetzt sind, und behindert das Eindringen von Feuchtigkeit an solchen Schwachstellen in Form eines
Labyrinths für die Wasser- und die Lösungsmittelmoleküle. Somit kann für
Dehnmessstreifen ein effizienter Feuchtigkeitsschutz erzielt werden, ohne dass das
Messergebnis beeinträchtigt wird.
Durch die Erfindung wird ein weiterer, mit dicken anorganischen Barriereschichten verbundener Nachteil beseitigt, nämlich der der Gefahr eines Ablösens der Schicht, der sogenannten Delamination. Diese Delamination entsteht dadurch, dass durch die hohe Steifigkeit einer vergleichsweise dicken Barriereschicht der Übergang von der Oberfläche des Dehnmessstreifens zur Barriereschicht erheblichen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Die erfindungsgemässe Verwendung von dünnen Barriereschichten in abwechselnder Folge mit dünnen Polymerschichten besitzt hinsichtlich des unerwünschten Lösens einer Barriereschicht von ihrer Unterlage eine sehr hohe Stabilität.
In ihrer erfindungsgemässen Verwendung als gesamthaft dünne, mehrlagige Schutzschichten mit einer Abfolge von dünnen, vorwiegend anorganischen Barriereschichten und ausebnenden Polymerschichten bedecken die Mehrlagenschichten einen auf einer Kraftmesszelle bereits applizierten Dehnmessstreifen oder einen auf eine solche aufbringbaren Dehnmessstreifen. Dabei dienen sie hauptsächlich dazu, die negativen Einflüsse ansonsten eindringender Feuchtigkeit auf das mit einer solchen Kraftmesszelle gemessene Ergebnis zu minimieren und gleichzeitig einen eben dieses Messergebnis verfälschenden Kraftnebenschluss, welcher beispielsweise bei der Verwendung dicker Barriereschichten oder -folien entsteht, weitgehend zu verhindern. Auf diese Weise ist es möglich, die Empfindlichkeit von Kraftmesszellen mit einem oder mehreren auf einem Verformungskörper als Wandler applizierten Dehnmessstreifen nachhaltig zu verbessern, so dass beispielsweise die Auflösung von mit solchen Kraftmesszellen versehenen Waagen einem Bereich zugänglich wird, der bis anhin nur Waagen mit nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation arbeitenden Kraftmesszellen zugänglich war.
In der folgenden Beschreibung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die stark schematisierten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Verformungskörper einer Wägezelle mit auf den jeweiligen die Biegelager bildenden Bereichen geringer Materialstärke angebrachten Dehnmessstreifen in dreidimensionaler Darstellung,
Figur 2 eine vergrösserte, dreidimensionale Darstellung des vom Kreis A in der Figur 1 umschlossenen Bereichs des Verformungskörpers mit einem darauf angebrachten Dehnmessstreifen, der mit einer Mehrlagenschicht versehen ist,
Figur 3 einen einzelnen Dehnmessstreifen mit einer aufgebrachten Mehrlagenschicht in dreidimensionaler Darstellung,
Figur 4 einen einzelnen Dehnmessstreifen mit einer aufgebrachten Mehrlagenschicht im Schnitt,
Figur 5 eine andere Ausführungsform eines Dehnmessstreifens mit einer direkt auf dem Träger aufgebrachten Mehrlagenschicht im Schnitt,
Figur 6 eine Reihenanordnung von Dehnmessstreifen mit Schlitzen im Trägermaterial zwischen benachbarten Dehnmessstreifen,
Figur 7 eine Flächenanordnung von Dehnmessstreifen mit Schlitzen im Trägermaterial zwischen benachbarten Dehnmessstreifen. Die Figur 1 zeigt den Verformungskörper 1 einer Wägezelle mit vier an den
Eckpunkten eines Parallelogramms angeordneten elastischen Biegestellen 2, 3, 4, 5.
Diese werden durch bogenförmig erweiterte Randbereiche 6, 7 einer Ausnehmung 8 im Zentrum des einstückigen Verformungskörpers 1 gebildet. Der links in der Figur dargestellte Lastaufnehmer 9 des Verformungskörpers 1 ist in vertikaler Richtung beweglich. Liegt auf einer hier nicht sichtbaren Waagschale - die im Übrigen mittels mehrerer Schrauben in den Gewinden 10 am Lastaufnehmer 9 befestigbar ist - eine
Last auf, so lenkt der Lastaufnehmer 9 unter Verformung der Biegestellen 2, 3, 4 und 5 vertikal nach unten gegenüber einem rechts in der Figur dargestellten feststehenden Teil 11 des Verformungskörpers 1 aus. Zur Messung dieser Verformung sind an den Biegestellen 2, 4 auf der Oberseite 12 des Verformungskörpers 1 Dehnmessstreifen 13 aufgeklebt, welche eine dehnungsabhängige Widerstandsbahn 14, die vorzugsweise mäanderförmig auf einem Träger 15 angeordnet ist, aufweisen. Bevorzugt werden nicht nur an den der Oberseite 12 des Verformungskörpers 1 zugewandten Biegestellen 2, 4 Dehnmessstreifen 13 angeordnet, sondern auch an denjenigen an der Unterseite des Verformungskörpers 1 , welche in der Zeichnung nicht sichtbar sind. Die Dehnmessstreifen 13 sind mit einer Mehrlagenschicht 16 zum Schutz gegen eindringende Feuchtigkeit, das heisst Wasser oder Lösungsmittel, versehen, deren Aufbau und Funktionsweise weiter unten noch im Detail erläutert wird. Um den jeweiligen Dehnmessstreifen 13 zu erkennen, ist die Mehrlagenschicht 16 hier durchsichtig gezeichnet. Es besteht allerdings keine Notwendigkeit dafür, dass die Mehrlagenschichten 16 in ihrer realen Ausführung transparent für Licht sind.
In der Ausführungsform, wie sie die Figur 1 zeigt, ist die Mehrlagenschicht 16, beispielsweise durch Aufdampfen, direkt auf den bereits mit dem Verformungskörper 1 verbundenen Dehnmessstreifen 13 aufgebracht worden. Dadurch ist es möglich, den Dehnmessstreifen 13 gesamthaft, das heisst dessen Träger 15 und die Widerstandsbahn 14 und sogar darüber hinaus noch einen Teil des Verformungskörpers 1 zu bedecken und damit vollständig gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abzudichten. Insbesondere wird dabei auch das häufig als Klebematerial verwendete Epoxid-Harz, welches hier zum Aufkleben des Dehnmessstreifens auf den Verformungskörper verwendet wurde, und welches über den Flächenrand des Dehnmessstreifens noch etwas hinaus reicht, abgedeckt (siehe Figur 2). Dies bedeutet, dass feuchtigkeitsbedingte Einflüsse des Klebematerials auf das
Wägeergebnis ebenfalls verhindert werden. Ebenso werden Einflüsse, die von möglicherweise über die Ränder und Kanten des Dehnmessstreifens in diesen eindringende Feuchtigkeit durch die vollständige Bedeckung derselben mit der Mehrlagenschicht vermieden. Auf diese Weise kann die Änderungsrate der oben beschriebenen, von Änderungen der Feuchtigkeit in der Umgebungsatmosphäre beeinträchtigten Messgrössen einer Kraftmesszelle, nämlich die Empfindlichkeit, die
Stabilität des Nullpunkts und das Kriechverhalten, in ihrer Grössenordnung um einen
Faktor 102 bis 106 verringert werden. Damit sind die genannten Parameter in den meisten Fällen über die Lebensdauer einer Kraftmesszelle praktisch unabhängig von der sich ändernden Umgebungsfeuchtigkeit.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Wert für die Permeation von Wasser oder Lösungsmitteln im Falle eines unbeschichteten Dehnmessstreifens, welcher auf einem hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme bereits optimierten Polyimidträger aufgebracht ist, bei einem Gramm pro Quadratmeter und Tag (1 g/m2/d) liegt, unter den Bedingungen einer Differenz der Umgebungsfeuchtigkeit von 90% rF und einer Temperatur von 23°C. Dieser Wert wird mittels der erfindungsgemässen Beschichtung des Dehnmessstreifens um mehrere Zehnerpotenzen verringert, so dass die oben genannten Parameter einer Kraftmesszelle eine entsprechende Änderungsrate erfahren.
Da hier die beschriebene Beschichtung eines bereits auf dem Verformungskörper einer Kraftmesszelle applizierten Dehnmessstreifens erfolgt, wird bevorzugt als besonders kostengünstiges Beschichtungsverfahren ein Bedampfen an Luft zur Anwendung kommen. Bei einer solchen, nämlich der als combustion chemical vapor deposition (CCVD) bekannten Beschichtungsmethode wird der Dampf einer vorzugsweise sich in Lösung befindlichen Substanz in einer gasgespeisten Flamme erhitzt, wo sie chemisch reagiert, bevor sie sich auf ein in der Nähe der Flamme befindliches Substrat niederschlägt.
In der Figur 2 ist der vom Kreis A der Figur 1 umschlossene Bereich des Verformungskörpers 1 vergrössert dargestellt. Es ist wie in der Figur 1 der auf der Biegestelle 2 applizierte Dehnmessstreifen 13 mit der diesen und einen Teil der Oberseite 12 des Verformungskörpers 1 , insbesondere auch die oben erwähnte Klebeschicht 21 bedeckenden Mehrlagenschicht 16 zu sehen. Zur Verdeutlichung ist auch hier die Mehrlagenschicht 16 wieder durchsichtig und auf ihrer in der Figur nach rechts weisenden Seite gebrochen gezeichnet. Ausserdem sind die Anschlusselektroden 17 der mäanderförmigen Widerstandsbahn zu sehen. Diese müssen selbstverständlich auch nach dem Aufbringen einer Mehrlagenschicht 16 für den Anschluss des detektierenden Brückenstromkreises (hier nicht gezeigt) zugänglich sein. Gleichzeitig soll aber die Mehrlagenschicht 16 beim Kontaktieren nicht über die Fläche der Kontaktierstelle hinaus beschädigt werden. Daher können zum Beispiel die Anschlusselektroden 17 bereits vor dem Beschichten mit einem Tropfen des elektrisch leitfähigen Verbindungsmaterials beaufschlagt, d.h. die in der Figur als Oval gezeichnete Kontaktierstellen 18 geschaffen werden, wobei beim Kontaktiervorgang lediglich der Teil der Mehrlagenschicht 16, welcher die Kontaktierstelle 18 bedeckt, geöffnet wird und weitere Bereiche der Mehrlagenschicht 16 unbeschädigt bleiben.
Figur 3 zeigt in dreidimensionaler Darstellung einen einzelnen Dehnmessstreifen 13, der mit einer Mehrlagenschicht 16, welche im Übrigen auch für eine Mehrlagenschichtanordnung gemäss den Figuren 1 und 2 verwendet werden kann, versehen ist. Der Übersicht halber ist auch hier wiederum die Mehrlagenschicht 16 durchsichtig und gebrochen gezeichnet. Sie besteht aus einer regulären Abfolge von Polymerschichten 19, vorzugsweise aus einem Polyacrylat oder Polymethacrylat, und Barriereschichten 20, aus einem vorwiegend anorganischen Isolator, wobei die Polymerschichten 19 eine Dicke von typischerweise 50 bis 500 nm, vorzugsweise 100 nm bis 200 nm aufweisen, in Einzelfällen aber auch darüber hinausgehend eine Schichtdicke von bis zu 1500 nm besitzen können. Die Schichtdicke der Barriereschichten 20 liegt typischerweise zwischen 5 nm und 200 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm, kann in Einzelfällen auch bis zu 500 nm betragen.
Der Aufbau und die bevorzugte Abfolge der Einzellagen oder -schichten in der Mehrlagenschicht 16 kommt in der Figur 4 zum Ausdruck, welche einen Schnitt durch einen Dehnmessstreifen 13 mit einer aus insgesamt fünf dünnen Einzelschichten bestehenden aufgebrachten Mehrlagenschicht 16 zeigt. Allerdings ist die Zeichnung stark schematisiert und es sind die jeweilige Dicke des Trägers 15, der Widerstandsbahn 14 und der Barriereschichten 20 sowie der Polymerschichten 19', 19", 19'" hier nicht massstabgetreu gezeichnet.
Die dem Träger 15 und in den Bereichen der auf dem Träger 15 aufgebrachten Widerstandsbahn 14 letzterer direkt benachbarte und Träger und Widerstandsbahn berührende erste Schicht 19' der Mehrlagenschicht 16 ist bevorzugt eine Acrylat- Polymerschicht, welche dazu dient, Rauhigkeiten von Träger 15 und Widerstandsbahn 14 zu glätten. Sie kann unter Umständen eine höhere Dicke aufweisen, als die weiteren polymeren Zwischenschichten 19" der Mehrlagenschicht 16. Mit solchen Acrylat-Polymerschichten kann die Rauhigkeit einer Unterlage im Nanometerbereich ausgeebnet werden. Auf diese Weise wird die Bildung einer fehlstellenarmen folgenden Barriereschicht 20 begünstigt, das heisst, dass das Entstehen von Pinholes in der ersten Barriereschicht 20 durch die glättende Wirkung ihrer Unterlage verringert wird.
Ein weiterer Grund, die erste Polymerschicht 19' der Mehrlagenschicht 16 verglichen mit den übrigen Polymerschichten 19", 19'" etwas dicker aufzubringen, besteht darin, dass insbesondere für die Ausgestaltungen gemäss den Figuren 1 und 2 die Forderung besteht, die seitlichen Kanten der Widerstandsbahn 14, insbesondere jedoch diejenigen des Trägers 15 und die überstehende Klebeschicht 21 vollständig zu bedecken. Eine genannte Polymerschicht erfüllt diese Forderung durch ihre einerseits auf Nanometerskala ausebnenden Eigenschaften und andererseits ihrer auf
Mikrometerskala sowohl in gewissem Masse ausebnenden als auch die vorwiegend senkrecht zur Schichtebene verlaufende Flächen abdeckenden Eigenschaften. Somit schafft sie die Voraussetzung für die Bildung von gleichmässig dicken und fehlstellenarmen Barriereschichten 20 und folgenden Schichten der Mehrlagenschicht 16.
Es kann sich nun ergeben, dass im Zuge einer vor dem Aufbringen einer Mehrlagenschicht stattfindenden Oberflächenbehandlung des Trägers 15 und/oder der Bereiche der auf dem Träger 15 aufgebrachten Widerstandsbahn 14 zum Zwecke der Reinigung, beispielsweise einer Plasmareinigung, eine dünne isolierende Subschicht zwischen dem Träger 15 beziehungsweise in den Bereichen der auf dem Träger 15 aufgebrachten Widerstandsbahn 14 und der ausebnenden ersten Polymerschicht 19' entsteht. Ebenso kann es sich also notwendig erweisen, dass zum Zwecke einer verbesserten Haftung der ausebnenden Polymerschicht 19' eine isolierende, bevorzugt aus wenigen Atomlagen bestehende Subschicht unterhalb der ersten
Polymerschicht 19' angeordnet ist.
Auf die erste Barriereschicht 20 folgt eine polymere Zwischenschicht. Ihre Funktion ist neben der Stabilisierung der ersten Barriereschicht 20 auch eine Reduktion der Entstehung von Pinholes in einer weiteren, der Zwischenschicht 19" folgenden Barriereschicht 20 durch ihre glättende Wirkung. Insbesondere wird aber durch die Zwischenschicht 19" vermieden, dass die dennoch in geringer Anzahl entstandenen Pinholes einer zweiten Barriereschicht 20 sich an solchen der ersten Barriereschicht 20 fixieren, was den Feuchtigkeitsdurchgang wieder begünstigen würde. Vielmehr entsteht durch die voneinander unabhängige Lokalisierung der Pinholes in der ersten und in der zweiten Barriereschicht 20 eine Art Labyrinth für eindringende Feuchtigkeit, insbesondere Wasser oder Lösungsmittelmoleküle. Dieser Labyrintheffekt führt in einer mehrlagigen Beschichtung mit aufeinander folgenden Barriereschichten 20 und Polymerschichten 19 zu einer drastischen Reduktion eindringender Feuchtigkeit.
Die in der Figur 4 gezeigte Mehrlagenschicht 16 weist fünf dünne Einzelschichten auf, wovon die erste Schicht die ausebnende Polymerschicht 19' ist und die die Grenzschicht zur Umgebungsatmosphäre bildende Schicht wiederum eine Polymerschicht 19'" ist, um die Mehrlagenschicht 16 vor allem gegen mechanische Beschädigung zu stabilisieren. Die Mehrlagenschicht 16 kann noch weitere Einzelschichten aufweisen; die Sequenz aus Polymerschicht 19 und Barriereschicht 20 kann im Prinzip beliebig oft wiederholt werden. Die Mehrlagenschicht 16 kann aber auch aus insgesamt nur drei dünnen Einzelschichten bestehen, bevorzugterweise aus einer Abfolge von Polymerschicht 19' - Barriereschicht 20 - Polymerschicht 19"'.
Als Materialien für die Barriereschichten 20 sind eine Vielzahl der bekannten, in verschiedenen Beschichtungsverfahren aufbringbaren vorwiegend anorganischen Isolatoren verwendbar. Als Beispiele seien hier Oxide, Nitride, Fluoride, Karbide, Boride oder Kombinationen davon, insbesondere Oxi-Nitride, oder auch Mischkeramiken genannt. Insbesondere haben sich Siliziumoxid, Titanoxid, Chromoxid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Titannitrid als Material für die Barriereschichten 20 bewährt. Auch die sogenannten „diamond-like carbon"-Schichten können als mögliche Barriereschichten 20 Verwendung finden.
Als weitere Materialien für die Barriereschichten 20 kommen insbesondere auch Metalle, beispielsweise Silber, Aluminium, Gold, Chrom, Kupfer, Nickel, Titan, sowie Legierungen, beispielsweise Nickel-Kobalt-Legierungen, oder intermetallische
Verbindungen, zum Beispiel aus Aluminium und Kupfer, aus Wolfram und Kupfer oder aus Titan und Aluminium in Frage.
Neben Acrylat-Polymeren können für die Polymerschichten 19 auch weitere polymere Materialien Verwendung finden. Als Beispiele seien angeführt: polymere Amide, Alkyde, Styrole, Xylylene, Phenylene, Aldehyde, Estere, Urethane, Epoxide, Imide, Phenole, Ketone sowie Fluorpolymere oder Copolymere, wobei die Auflistung hier nicht abschliessend sein kann. Letztendlich entscheidet die Optimierung zwischen Barrierewirkung, Kombinierbarkeit der Barriereschicht 20 und der Polymerschicht 19, sowie Wirtschaftlichkeit der Beschichtungsmethode über die Verwendung des Barriereschichtmaterials ebenso wie über die Verwendung des Polymermaterials.
Eine weitere Klasse von Materialien, die als polymere Zwischenschichten 19" oder Polymere Abdeckschicht 19'" Verwendung finden können, sind anorganischorganische Hybridpolymere mit dem Handelsnamen „ORMOCER". Diese Materialien, welche in der DE 38 28 098 A1 und DE43 03 570 A1 beschrieben sind, besitzen eine gute Elastizität und eine gewisse Barrierewirkung gegenüber eindringender
Feuchtigkeit. Allerdings ist die Barrierewirkung nicht hoch genug, als dass sie sich für eine Verwendung als Barriereschicht 20 eignen würde. Ein besonderer Vorteil von ORMOCERen ist, dass diese Materialien an Luft abgeschieden werden können, beispielsweise durch Sprüh-, Schleuder- oder Tampondruckverfahren.
Ungeachtet der Materialfrage besitzt eine dünne Barriereschicht 20 eine entsprechend geringe Steifigkeit. Daher ist im Zusammenwirken mit der an sich flexiblen Polymerschicht 19 nur ein minimaler Kraftnebenschluss durch das Aufbringen einer Mehrlagenschicht 16 mit ultradünnen Barriereschichten 20 auf Dehnmessstreifen 13 zu befürchten. Aus dem selben Grund ist die Gefahr des Ablösens der ultradünnen Barriereschichten 20 von ihrer Unterlage (Delamination) massiv reduziert und konnte für im Rahmen der Erfindung verwendete Materialien nicht beobachtet werden.
Die erfindungsgemässe Beschichtung von Dehnmessstreifen 13 mit einer Mehrlagenschicht 16 kann im Anschluss an die Herstellung der Dehnmessstreifen 13 erfolgen, solange diese noch in einer Reihen- oder Flächenanordnung vorhanden sind. Bei einer Vereinzelung der Dehnmessstreifen 13 bleiben allerdings die Seitenflächen, insbesondere der Trägerfolie, offen und eindringender Feuchtigkeit zugänglich. Aufgrund der Flächenverhältnisse von Oberseite und Seitenkanten eines Dehnmessstreifens ist jedoch die Schutzwirkung der erfindungsgemässen Mehrlagenschicht 16 immer noch recht hoch. Es können mit dieser äusserst effizienten Beschichtungsmethode Dehnmessstreifen 13 hergestellt werden, deren Feuchtigkeitsaufnahme, abhängig von den verwendeten Materialien um einen Faktor 50 bis 1000 geringer ausfällt, im Vergleich zu unbeschichteten Dehnmessstreifen. Für den Fall, dass eine höhere Barrierewirkung, als die genannte erreicht werden müsste, ist es selbstverständlich auch möglich einzelne Dehnmessstreifen 13, gegebenenfalls rundum, zu beschichten, wodurch die Seitenflächen des Trägers 15, zumindest bei vorsichtiger Handhabung, abgedeckt wären.
Eine Möglichkeit, die Seitenkanten von Dehn messstreifen 13 in einer Reihen- oder Flächenanordnung mit einer Schutzschicht, insbesondere in Form einer beschriebenen Mehrlagenschicht, zumindest teilweise, zu bedecken, soll anhand der Figuren 6 und 7 beschrieben werden. Die Figur 6 zeigt eine Reihenanordnung 30 von Dehnmessstreifen 13. Zwischen den einzelnen mit ihren jeweiligen Anschlusselektroden 17 verbundenen Widerstandsbahnen 14 ist der Träger 31 der Reihenanordnung 30 durch schmale, quer zur Längsausdehnung der Reihenanordnung 30 orientierte Schlitze 32 durchbrochen, wobei die Schlitze 32 nicht über die gesamte Breite des Trägers 31 der Reihenanordnung 30 reichen. Die Schlitze 32 können nach dem Aufbringen der Widerstandsbahn 14 und der Anschlusselektroden 17 durch verschiedene Verfahren, wie Wasserschneiden, Laserschneiden oder in bevorzugter Weise auch durch Stanzen im Träger 31 erzeugt werden. Dies erfolgt vor dem Bedecken der Reihenanordnung 30 mit einer
Schutzschicht, insbesondere einer oben beschriebenen Mehrlagenschicht 16. Auf diese Weise sind die Ränder eines Dehnmessstreifens bis auf die noch während des Beschichtens vorhandenen möglichst klein dimensionierten Verbindungsstellen 33 des Trägers 31 , welche bei der anschliessenden Vereinzelung der Dehnmessstreifen 13 durchtrennt werden, ebenfalls mit einer Schutzschicht versehen.
Die Figur 7 zeigt eine Flächenanordnung 35 von Dehnmessstreifen 13 in welcher in den Bereichen zwischen den einzelnen mit ihren jeweiligen Anschlusselektroden 17 verbundenen Widerstandsbahnen 14 Schlitze 32 und senkrecht dazu angeordnete Schlitze 34 den Träger 36 der Flächenanordnung 35 durchbrechen, so dass dieses lediglich an jeweils vier Verbindungsstellen 37 um jeden Dehnmessstreifen 13 verbunden ist. Die Schlitze 32, 34 werden an jenen Stellen eines Trägers erzeugt, an welchen bei einer späteren Vereinzelung der Dehnmessstreifen 13 diese aus der Flächenanordnung 35 herausgetrennt werden. Eine solche Schlitzanordnung kann jedoch in vielfältiger Weise variiert werden, beispielsweise derart dass die Schlitze einen rechten Winkel bildend um die mit ihren jeweiligen Anschlusselektroden 17 verbundenen Widerstandsbahnen 14 teilweise herum reichen und nur noch an zwei oder drei Verbindungsstellen des Trägers 36 miteinander verknüpft sind.
Selbstverständlich können die Dehnmessstreifen untereinander auch an mehr als vier Verbindungsstellen miteinander verknüpft sein.
Wichtig ist es die Verknüpfung des Trägers 31 , 36 an den Verbindungsstellen 33, 37 zu minimieren, das heisst die Fläche der Verbindungsstellen 33, 37 so gering zu halten, dass einerseits die Kanten eines Dehnmessstreifens 13 in einem möglichst grossen Bereich von der Schutzschicht bedeckt werden können, andererseits aber für die Handhabung der Reihenanordnung 30 oder Flächenanordnung 35 von Dehnmessstreifen 13 noch ein genügend hoher Zusammenhalt des Trägers 31 , 36 vorhanden ist. Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise das Eindringen von Feuchtigkeit gegenüber Dehnmessstreifen aus einer Reihen oder Flächenanordnung des Standes der Technik verringert und die Empfindlichkeit einer mit solchen Dehnmessstreifen beaufschlagte Kraftmesszelle nachhaltig verbessert werden konnte.
Die Breite eines Schlitzes 32, 37 ist so zu wählen, dass einerseits nicht zu viel Trägermaterial zwischen den einzelnen Dehnmessstreifen 13 verloren geht und andererseits die aufzubringenden Beschichtungsmaterialien eine genügende Bedeckung der Seitenkanten eines Dehnmessstreifens 13 gewährleisten. Eine Breite von etwa 0,5 mm sei hier als Orientierungswert genannt.
Innerhalb einer Mehrlagenschicht 16 sind die einzelnen Barriereschichten 20 nicht notwendigerweise aus dem selben Material. Ebenso wenig sind die Polymerschichten 19 auf ein einziges Material beschränkt.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, eine oder mehrere Barriereschichten 20 aus Teilschichten aufzubauen, sei dies dadurch, dass dabei identische oder dass verschiedene Materialien Anwendung finden. Solche Barriere-Mehrfachlagen mit verschiedener innerer Struktur erhöhen den Labyrintheffekt. Auch für einzelne Polymerschichten 19', 19", 19'" ist eine Zusammensetzung aus Teilschichten denkbar. Von Bedeutung ist hierbei einzig, dass die Barriereschichten 20 und die Polymerschichten 19 dünn sind, d.h. ihre jeweilige Schichtdicke im Bereich oben genannter Werte liegt, und dass die Gesamtdicke der Mehrlagenschicht 16 für auf hochempfindliche Kraftmesszellen applizierbare Dehnmessstreifen einen Mikrometer, höchstens jedoch zehn Mikrometer nicht überschreitet, und somit kein wesentlicher Kraftnebenschluss entsteht.
Die jeweilige Dicke der einzelnen Barriereschichten oder Polymerschichten innerhalb einer Mehrlagenschicht, insbesondere aber deren Gesamtschichtdicke ist, abgesehen davon, dass auch verwendete Beschichtungsmaterialien oder sonstige Beschichtungsparameter eine Rolle spielen, eine Funktion der Lastkapazität sowie der geforderten Empfindlichkeit der mit solchen beschichteten Dehnmessstreifen versehenen Kraftmesszellen. Das heisst, je höher die Lastkapazität einer Kraftmesszelle ist, desto grösser ist auch der noch tolerierbare Kraftnebenschluss, welcher, wie oben erwähnt, durch eine Schutzschicht auf dem Dehnmessstreifen verursacht werden kann. Es gilt aber prinzipiell der Grundsatz, je dünner eine
Mehrlagenschicht ist, insbesondere je dünner die darin enthaltenen Barriereschichten sind, desto besser ist sie geeignet für eine Verwendung als Schutzschicht auf Dehnmessstreifen. Es ist jedoch, sozusagen als Erfahrungswert, davon auszugehen, dass eine im Bereich der Wägetechnologie eingesetzte Kraftmesszelle, wenn sie für Lasten unterhalb eines Kilogramms spezifiziert ist, eine Beschichtung ihrer
Dehnmessstreifen aufweisen kann, deren Gesamtdicke, das heisst die Dicke der Mehrlagenschicht, bis zu zehn Mikrometer betragen kann, vorzugsweise jedoch unterhalb von fünf Mikrometern, insbesondere aber unterhalb von einem Mikrometer liegt. Für Kraftmesszellen einer Kapazität bis zu fünf Kilogramm kann die Gesamtdicke der Mehrlagenschicht bis zu fünfzehn Mikrometer betragen, liegt jedoch vorzugsweise unterhalb von zehn Mikrometern, insbesondere aber unterhalb von fünf Mikrometern.
Auf Kraftmesszellen mit einer Kapazität oberhalb von fünf Kilogramm bis zu etwa 50
Kilogramm applizierte Dehnmessstreifen können mit einer Mehrlagenschicht oder auch mit einer eine Mehrlagenschicht aufweisenden Folie im Mikrometerbereich bedeckt werden, ohne dass der Kraftnebenschluss einen nennenswerten Einfluss auf das Wägeresultat ausübt.
Bevorzugt ist, dass die Mehrlagenschicht 16 aus einer abwechselnden Folge von einer Polymerschicht 19, insbesondere einer Polyacrylat- oder Polymethacrylat-Schicht und einer Barriereschicht 20, vorzugsweise aus Siliziumoxid oder Aluminiumoxid, aufgebaut ist, wobei aufgrund der Wahl eines effizienten Beschichtungsverfahrens die jeweils verwendeten Materialien einheitlich sind, ebenso wie auch die einzelnen Schichten in sich homogen sind. Die Grenzschicht zum Träger 15 beziehungsweise zur Widerstandsbahn 14 und den Anschlusselektroden 17 ist eine Polymerschicht 19', für die Grenzschicht zur Umgebungsatmopshäre ist dies nicht zwingend notwendig, wenngleich bevorzugt, da eine abschliessende Polymerschicht 19'" einen guten mechanischen und gegebenenfalls chemischen Schutz für eine letzte Barriereschicht 20 bietet. Dies bedeutet, dass gegebenenfalls die Wahl des verwendeten Polymermaterials für die abschliessende Polymerschicht 19'" hinsichtlich der Eigenschaft, einen besonders guten mechanischen und/oder chemischen Schutz bieten zu können, erfolgt.
Es kann sich auch als erforderlich erweisen, bezüglich der Fläche des
Dehnmessstreifens 13 lediglich eine Teilbeschichtung auf einen solchen aufzubringen. Dabei kann ausschliesslich die Mäanderstruktur der Widerstandsbahn 14 beschichtet werden, da hier eindringende Feuchtigkeit die grösste Wirkung zeigt, oder die Beschichtung erfolgt bevorzugt im Bereich der Umkehrstellen 22 der Mäanderstruktur (siehe Figur 3) der Widerstandsbahn 14. Um gegebenenfalls auftretende Probleme bei der elektrischen Kontaktierung der Widerstandsbahn 14 an den Anschlusselektroden 17 zu vermeiden, können auch diese frei von einer Beschichtung belassen werden. Hierzu ist es notwendig beim Beschichten mit Masken zu arbeiten, die die zu beschichtenden Bereiche frei lassen.
Der Erfindungsgedanke umfasst auch die grossflächige Herstellung von mit einer beschriebenen Mehrlagenschicht 16 versehenen Polymerfolien, beispielsweise Polyimidfolien, die anschliessend an die Beschichtung als Trägermaterial für
Dehnmessstreifen verwendet werden, das heisst mit einer Widerstandsbahn auf der beschichteten Seite versehen werden. Ein solcher Dehnmessstreifen 13' ist in der Figur 5 stark schematisiert dargestellt, wobei die Mehrlagenschicht 16 hier aus sieben Einzelschichten besteht . Die Applikation solcher Dehnmessstreifen 13' beispielsweise auf den Verformungskörper 1 einer Kraftmesszelle erfolgt in gewohnter Weise. In einem solchen Fall ist zwar nicht die Widerstandsbahn 14 per se vor Änderungen der Feuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre geschützt, jedoch ist der vorwiegend durch Feuchtigkeitsaufnahme oben beschriebene Messfehler verursachende Träger 15 weitest gehend geschützt, so dass die feuchtigkeitsbedingten Einflüsse auf das Messresultat zumindest reduziert sind.
Die Applikation eines Dehnmessstreifens 13', dessen Widerstandsbahn 14 auf der mit der Mehrlagenschicht 16 versehenen Seite des Trägers 15 aufgebracht ist, auf den Verformungskörper 1 einer Kraftmesszelle kann auch in der Weise erfolgen, dass die Widerstandsbahn 14 dem Verformungskörper 1 zugewandt in ein als elektrisch isolierende Zwischenschicht wirkendes Klebematerial eingebettet wird. Hier übernimmt die vorzugsweise nicht allzu dicke, beschichtete Trägerfolie die Aufgabe der Schutzschicht und schützt vor allem die Klebeschicht 21 und die Widerstandsbahn 14 vor den Einflüssen sich ändernder Feuchtigkeit.
Ebenso kann auch eine bereits mit einer Mehrlagenschicht 16 zum Schutz gegen eindringende Feuchtigkeit versehene Trägerfolie auf ihrer unbeschichteten Seite mit der dehnungsabhängigen Widerstandsbahn 14 versehen werden. In diesem Falle ist ein solcher Dehnmessstreifen mit der Widerstandsbahn 14 dem Verformungskörper 1 zugewandt in ein Klebematerial mit sehr guten elektrisch isolierenden Eigenschaften eingebettet zu applizieren. Auch hier ist für Kraftmesszellen mit niederer bis mittlerer Lastkapazität, zur weitgehenden Vermeidung von Kraftnebenschlüssen, eine
Trägerfolie mit einer Dicke von bevorzugt nur wenigen Mikrometern zu wählen. Für die Verwendung solcher Dehnmessstreifen in einer Kraftmesszelle kann es sich auch als nützlich erweisen, den Verformungskörper 1 bereits vor dem Applizieren der Dehnmessstreifen, zumindest im Bereich der Biegestellen, mit einer elektrisch isolierenden Bedeckung zu versehen, so dass die Klebeschicht nicht ausschliesslich die Funktion der elektrischen Isolation zu übernehmen hat.
Es ist im Übrigen unbenommen, auch beidseitig beschichtete Trägerfolien für die beschriebenen Applizierverfahren zu verwenden.
Eine Mehrlagenschicht 16, bestehend aus einer abwechselnden Folge von Polymerschichten 19 und Barriereschichten 20 ist auch ohne weiteres auf eine dünne, Polymerfolie, beispielsweise aus einem Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyimid, PET, Fluorpolymer oder einem der eingangs für die Verwendung als Trägermaterial erwähnten Polymere aufbringbar. Die beschichtete Folie wird anschliessend auf einen Dehnmessstreifen 13 laminiert und zwar entweder mit der Mehrlagenschicht 16 oder mit der dünnen Polymerfolie in Kontakt zum Träger 15 und der Widerstandsbahn 14. Von Vorteil ist hierbei, wie auch bei einer oben beschriebenen Beschichtung der Trägerfolie, dass die Folienbeschichtung als industrielles Verfahren sehr preisgünstig ist.
Eine solche als Mehrlagenschicht ausgebildete Folie kann nun auch über einen Dehnmessstreifen 13, welcher direkt auf einem Verformungskörper 1 einer vorzugsweise für mittlere bis höhere Lastkapazitäten ausgelegten Kraftmesszelle appliziert ist, angebracht werden. Dabei muss der Dehnmessstreifen nicht zwingend mit einer Folie als Träger 15 verbunden sein, sondern kann direkt auf eine elektrisch isolierende Bedeckung des Verformungskörpers 1 aufgebracht sein, wobei der Verformungskörper 1 mit der elektrisch isolierenden Bedeckung, die beispielsweise durch Eloxieren eines Aluminium-Verformungskörpers entsteht, als Träger für die Widerstandsbahn 14 und die Anschlusselektroden 17 wirkt.
Die bevorzugte Methode zur Herstellung einer Mehrlagenschicht 16 auf einem einzelnen Dehnmessstreifen 13 oder einem bereits auf dem Verformungskörper 1 einer Kraftmesszelle applizierten Dehnmessstreifen 13 umfasst die folgenden Schritte: Aufbringen einer im Nanometerbereich ausebnenden Polymerschicht 19' mit einer Dicke, die zwischen 200 nm und 1500 nm liegt, auf mindestens einem Teil der
Widerstandsbahn 14 und/oder der Anschlusselektroden 17 und/oder des Trägers 15 und gegebenenfalls dem Verformungskörper 1 , Abscheiden einer etwa 20 nm dicken,
Barriereschicht 20 auf der Polymerschicht 19', Abscheiden einer weiteren dünnen Polymerschicht 19" mit einer Dicke von etwa 100 nm bis 200 nm auf der
Barriereschicht 20, beliebig häufige Wiederholung des Vorgangs des Beschichtens mit einer Barriereschicht 20 und einer Polymerschicht 19", wobei als Grenzschicht zur
Umgebungsatmosphäre eine Polymerschicht 19'" oder eine dünne Barriereschicht 20 vorhanden sein kann.
Analog wird bei der Beschichtung einer Reihen- oder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen verfahren.
Es kann sich als nützlich erweisen, vor Beginn des Beschichtungsvorgangs die Unterlage der Mehrlagenschicht 16, sei dies der Träger 15, eine Trägerfolie, die Widerstandsbahn 14 oder ein Teil des Verformungskörpers 1 einer Kraftmesszelle einer Plasmareinigung oder einer chemischen Reinigung zu unterziehen.
Beim Aufbringen der Mehrlagenschicht steht eine grosse Auswahl von Beschichtungsverfahren zu Verfügung. Es seien hier für das Erzeugen der Barriereschichten 20 beispielhaft Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, Plasmabeschichten, „sputtem", Sol-Gelverfahren, „chemical vapor deposition (CVD)", „combustion chemical vapor deposition (CCVD)", „plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)", „plasma impulse chemical vapor deposition (PICVD)", sowie, insbesondere für das Aufbringen von Metallen, elektrochemisches Abscheiden, genannt. Für das Aufbringen der Polymerschichten sind folgende Beschichtungsmethoden möglich: Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, insitu- Polymersisation von durch „flash evaporation" oder Plasmabeschichten aufgebrachten Monomeren oder Oligomeren, sowie Elektrophorese, Kataphorese oder Anaphorese.
Als besonders effizient erweist sich ein Verfahren zum Beschichten von auf dem Verformungskörper 1 einer Kraftmesszelle aufbringbaren oder aufgebrachten Dehnmessstreifen 13, mit einer Mehrlagenschicht 16, wenn die Herstellung der Mehrlagenschicht 16 durch abwechselnde Beschichtung mit Polymerschichten 19 und Barriereschichten 20 innerhalb einer Beschichtungsapparatur mittels zweier Quellen in einem Arbeitsgang erfolgt.
Bezugszeicheniiste
1 Verformungskörper
2 Biegestelle
3 Biegestelle
4 Biegestelle
5 Biegestelle
6 bogenförmig erweiterter Randbereich
7 bogenförmig erweiterter Randbereich
8 Ausnehmung
9 Lastaufnehmer
10 Gewinde
11 Feststehender Teil
12 Oberseite des Verformungskörpers 13, 13' Dehnmessstreifen
14 Widerstandsbahn
15 Träger
16 Mehrlagenschicht
17 Anschlusselektroden
18 Tropfen des elektrischen Verbindungsmaterials
19 Polymerschicht
19' Erste Polymerschicht
19" Polymere Zwischenschichten
19'" Polymere Abdeckschicht
20 Barriereschichten
21 Klebematerial, Klebeschicht
22 Umkehrstellen
30 Reihenanordnung von Dehnmessstreifen
31 Träger der Reihenanordnung
32 Schlitz
33 Verbindungsstelle
34 Schlitz
35 Flächenanordnung von Dehnmessstreifen
36 Träger der Flächenanordnung
37 Verbindungsstelle

Claims

Patentansprüche
1. Kraftmesszelle mit einem Verformungskörper (1) und mit mindestens einem auf dem Verformungskörper (1) aufgebrachten Dehnmessstreifen (13, 13'), der eine dehnungsempfindliche, auf einem Träger (15) aufgebrachte elektrische Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektroden (17) zur Kontaktierung der Widerstandsbahn (14) aufweist, wobei der mindestens eine Dehnmessstreifen (13, 13') und gegebenenfalls ein Teil des Verformungskörpers (1) mit einer
Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mehrlagenschicht (16) aus einer abwechselnden Folge von einer Polymerschicht (19) und einer Barriereschicht (20) zusammensetzt, wobei die Mehrlagenschicht (16) aus mindestens drei dünnen Einzelschichten gebildet wird, und wobei eine Polymerschicht (19') die Grenzschicht zum Dehnmessstreifen (13,
13') und gegebenenfalls dem von der Mehrlagenschicht (16) bedeckten Teil des Verformungskörpers (1) bildet, welche Polymerschicht (19') die Oberfläche des zu beschichtenden Bereichs hinsichtlich Rauhigkeiten ausebnet.
2. Kraftmesszelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polymerschicht die Eigenschaft des Bedeckens von Kanten und von gegebenenfalls senkrecht zur Schichtebene verlaufenden Flächen aufweist.
3. Kraftmesszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Subschicht unterhalb der ausebnenden Polymerschicht (19') vorhanden ist.
4. Kraftmesszelle nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19'") die Grenzschicht der Mehrlagenschicht (16) zur Umgebungsatmosphäre bildet.
5. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) eine Schichtdicke zwischen 5 nm und 200 nm, in Einzelfällen bis zu 500 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm, aufweist.
6. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19) eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 1500 nm, insbesondere eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 200 nm, aufweist.
7. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke der Mehrlagenschicht (16) bei maximal zehn Mikrometer, vorzugsweise bei einem Wert von kleiner als einem Mikrometer liegt.
8. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Grenzschicht zum Dehnmessstreifen (13, 13') und gegebenenfalls zum von der Mehrlagenschicht (16) bedeckten Teil des Verformungskörpers (1) bildende Polymerschicht (19') zum Ausgleich von Rauhigkeiten an der Oberfläche des
Dehnmessstreifens (13, 13') und des Verformungskörpers (1) eine grössere Schichtdicke aufweist, als die im Aufbau der Mehrlagenschicht (1) folgenden Polymerschichten(19", 19'").
9. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) aus einem Isolatormaterial, insbesondere einem Oxid,
Borid, Nitrid, Fluorid, Karbid, einer Kombination aus solchen oder einer Mischkeramik, oder aus „diamond-like-carbon" besteht.
10. Kraftmesszelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) aus einem Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Titanoxid, Titannitrid, Aluminiumoxid oder Chromoxid besteht.
11. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) aus Metall, insbesondere aus Aluminium, Silber, Gold, Kupfer, Chrom, Titan, Nickel, einer Metall-Legierung oder einer intermetallischen Verbindung besteht.
12. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19", 19'") aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer besteht.
13. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) mindestens zwei Teilschichten aufweist, wobei die Teilschichten aus gleichen oder verschiedenen Materialien, insbesondere anorganischen Materialien bestehen.
14. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19) mindestens zwei Teilschichten aufweist, wobei die Teilschichten aus gleichen oder verschiedenen polymeren Materialien bestehen.
15. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) mittels physikalischer oder chemischer Beschichtungsmethoden, insbesondere mittels Aufdampfen im Vakuum,
Aufdampfen an Luft, Plasmabeschichten, "sputtern", Sol-Gelverfahren, „chemical vapor deposition", „combustion chemical vapor deposition", „plasma enhanced chemical vapor deposition", „plasma impulse chemical vapor deposition", oder, insbesondere für das Aufbringen von Metallen, elektrochemisches Abscheiden, erzeugt wird.
16. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19) mittels Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, insitu-Polymerisation von durch „flash evaporation" oder Plasmabeschichten aufgebrachten Monomeren oder Oligomeren, durch „spin-coating", Elektrophorese, Kataphorese oder Anaphorese erzeugt wird.
17. Kraftmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbahn (14) mäanderförmig ist.
18. Kraftmesszelle nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenschicht (16) als Teilbeschichtung des Dehnmessstreifens (13) im Bereich der Widerstandsbahn (14), insbesondere in den Bereichen der
Umkehrstellen (22) der mäanderförmigen Widerstandsbahn (14) vorhanden ist.
19. Dehnmessstreifen mit einer dehnungsempfindlichen, auf einem Träger (15) aufgebrachten elektrischen Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektroden (17) zur Kontaktierung der Widerstandsbahn (14), wobei der Dehnmessstreifen (13, 13') mit einer mindestens einen Teil des Trägers (15) und/oder der Widerstandsbahn (14) und/oder der Anschlusselektroden (17) bedeckenden Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mehrlagenschicht (16) aus einer abwechselnden Folge von einer
Polymerschicht (19) und einer Barriereschicht (20) zusammensetzt, wobei die Mehrlagenschicht (16) aus mindestens drei dünnen Einzelschichten besteht, und wobei eine Polymerschicht (19') die Grenzschicht der Mehrlagenschicht (16) zum Träger (15) und/oder der Widerstandsbahn (14) bildet, welche Polymerschicht (19') die Oberfläche des zu beschichtenden Bereichs hinsichtlich Rauhigkeiten ausebnet.
20. Dehnmessstreifen nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Polymerschicht (19') die Eigenschaft des Bedeckens von Kanten und von gegebenenfalls senkrecht zur Schichtebene verlaufenden Flächen aufweist.
21. Kraftmesszelle nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Subschicht unterhalb der ausebnenden Polymerschicht (19') vorhanden ist.
22. Dehnmessstreifen nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19'") die Grenzschicht der Mehrlagenschicht (16) zur Umgebungsatmosphäre bildet.
23. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) eine Schichtdicke zwischen 5 nm und 200 nm, in Einzelfällen bis zu 500 nm, vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm, aufweist.
24. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19) eine Schichtdicke zwischen 50 nm und 1500 nm, insbesondere eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 200 nm, aufweist.
25. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtschichtdicke der Mehrlagenschicht (16) bei maximal zehn Mikrometer, vorzugsweise bei einem Wert von kleiner als einem Mikrometer liegt.
26. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die die Grenzschicht zum Träger (15) und gegebenenfalls zur
Widerstandsbahn (14) bildende Polymerschicht (19') zum Ausgleich von Rauhigkeiten an der Oberfläche des Trägers (15) und der Widerstandsbahn (14) eine grössere Schichtdicke aufweist, als im Aufbau der Mehrlagenschicht (16) folgende Polymerschichten (19", 19'").
27. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) aus einem Isolatormaterial, insbesondere einem Oxid, Borid, Nitrid, Fluorid, Karbid, aus einer Kombination aus solchen oder einer Mischkeramik, oder aus „diamond-like-carbon" besteht.
28. Dehnmessstreifen nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) aus einem Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Titanoxid, Titannitrid,
Aluminiumoxid oder Chromoxid besteht.
29. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) aus Metall, insbesondere aus Aluminium, Silber, Gold, Kupfer, Chrom, Titan, Nickel, einer Metall-Legierung, oder einer intermetallischen Verbindung besteht.
30. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19', 19'") aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer besteht.
31. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) mindestens zwei Teilschichten aufweist, wobei die
Teilschichten aus gleichen oder verschiedenen Materialien, insbesondere anorganischen Materialien bestehen.
32. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19) mindestens zwei Teilschichten aufweist, wobei die Teilschichten aus gleichen oder verschiedenen polymeren Materialien bestehen.
33. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass eine Barriereschicht (20) mittels physikalischer oder chemischer
Beschichtungsmethoden, insbesondere mittels Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, Plasmabeschichten, „sputtern", Sol-Gelverfahren, „chemical vapour deposition", „combustion chemical vapor deposition", plasma enhanced chemical vapor deposition", „plasma impulse chemical vapor deposition", oder, insbesondere für das Aufbringen von Metallen, elektrochemisches Abscheiden, erzeugt wird.
34. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polymerschicht (19) mittels Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, insitu-Polymersisation von durch „flash evaporation" oder Plasmabeschichten aufgebrachten Monomeren oder Oligomeren, durch spin-coating, Elektrophorese,
Kataphorese oder Anaphorese erzeugt wird.
35. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsbahn (14) mäanderförmig ist.
36. Dehnmessstreifen nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehriagenschicht (16) als Teilbeschichtung im Bereich der Widerstandsbahn (14), insbesondere in den Bereichen der Umkehrstellen (22) der mäanderförmigen Widerstandsbahn (14) vorhanden ist.
37. Dehnmessstreifen nach einem der Ansprüche 19 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dehnmessstreifen (13, 13') in einer Reihen- oder Flächenanordnung vorhanden sind.
38. Reihen- oder Flächenanordnung (30, 35) von Dehnmessstreifen (13), welche Dehnmessstreifen (13) eine dehnungsempfindliche auf einem Träger (15) aufgebrachte elektrische Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektoden (17) zur Kontaktierung der Widerstandsbahn (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (31 , 36) der Reihen- oder Flächenanordnung (30, 35) durch eine Schlitzanordnung durchbrochen ist, wobei Verbindungsstellen (33, 37) vorhanden sind, durch welche die Träger (15) benachbarter Dehnmessstreifen (13) miteinander verbunden sind.
39. Reihen oder Flächenanordnung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzanordnung aus sich entlang den Seiten eines Dehnmessstreifens (13) erstreckenden Schlitzen (32, 34) besteht, wobei jeder Schlitz (32, 34) sich über nahezu die gesamte entsprechende Seitenlänge eines Dehnmessstreifens (13) erstreckt.
40. Verfahren zur Erzeugung einer Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht auf einer einen mit mindestens einem Dehnmessstreifen (13, 13') versehenen Verformungskörper (1) aufweisenden Kraftmesszelle, welcher Dehnmessstreifen (13) eine dehnungsempfindliche, auf einem Träger (15) aufgebrachte elektrische Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektroden (17) zur Kontaktierung der
Widerstandsbahn (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausebnende Polymerschicht (19'), auf mindestens einen Teil des Trägers (15) und/oder der Widerstandsbahn (14) und/oder der Anschlusselektroden (17) und gegebenenfalls den Verformungskörper (1) aufgebracht wird, gegebenenfalls auf der Polymerschicht (19') eine dünne Barriereschicht (20) abgeschieden wird, welcher
Barriereschicht (20) eine weitere dünne Polymerschicht (19", 19'") folgt, und dass der Vorgang des Beschichtens mit einer abwechselnden Folge von einer dünnen Barriereschicht (20) und einer dünnen Polymerschicht (19") beliebig of wiederholt wird, wobei als Grenzschicht zur Umgebungsatmosphäre eine Polymerschicht (19'") oder eine dünne Barriereschicht (20) vorhanden sein kann, und wobei sich die Mehrlagenschicht (16) aus mindestens drei Einzelschichten zusammensetzt.
41. Verfahren zur Erzeugung einer Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht auf einem •einzelnen Dehnmessstreifen (13, 13'), oder einer Reihen- oder Flächenanordnung von Dehn messstreifen (13, 13'), welche Dehnmessstreifen (13, 13') eine dehnungsempfindliche auf einem Träger (15) aufgebrachte elektrische
Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektoden (17) zur Kontaktierung der Widerstandsbahn (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausebnende
Polymerschicht (19') auf mindestens einen Teil des Trägers (15) und/oder der
Widerstandsbahn (14) und/oder der Anschlusselektroden (17) aufgebracht wird, gegebenenfalls auf der Polymerschicht (19') eine dünne Barriereschicht (20) abgeschieden wird, welcher Barriereschicht (20) eine weitere dünne
Polymerschicht (19", 19'") folgt, und dass der Vorgang des Beschichtens mit einer abwechselnden Folge von einer dünnen Barriereschicht (20) und einer dünnen
Polymerschicht (19") beliebig oft wiederholt wird, wobei als Grenzschicht zur
Umgebungsatmosphäre eine Polymerschicht (19'") oder eine dünne Barriereschicht (20) vorhanden sein kann, und wobei sich die Mehrlagenschicht
(16) aus mindestens drei Einzelschichten zusammensetzt.
42. Verfahren nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenschicht (16) auf den Träger (15) eines Dehmessstreifens (13) abgeschieden wird und anschliessend die Widerstandsbahn (14) und die Anschlusselektroden (17) auf der Mehrlagenschicht (16) aufgebracht werden.
43. Verfahren nach Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenschicht (16) auf den Träger (15) eines Dehmessstreifens abgeschieden wird und anschliessend die Widerstandsbahn (14) und die Anschlusselektroden (17) auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers (15) aufgebracht werden.
44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Dehnmessstreifen mit dem Verformungskörper (1) einer Kraftmesszelle mittels eines elektrisch isolierenden Klebematerials (21) verbunden wird, wobei die Widerstandsbahn (14) sich auf der dem Verformungskörper (1) zugewandten Seite des beschichteten Dehnmessstreifens befindet.
45. Verfahren zur Erzeugung einer Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht auf einem einzelnen Dehnmessstreifen (13), oder einer Reihen- oder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenschicht (16) in einer abwechselnden Folge von einer dünnen Barriereschicht (20) mit einer Schichtdicke im Submikrometerbereich und einer dünnen Polymerschicht (19) auf eine Polymerfolie aufgebracht wird und anschliessend die Polymerfolie mitsamt der Mehrlagenschicht (16) auf einen einzelnen Dehnmessstreifen (13) oder eine
Reihen- oder Flächenanordnung von Dehnmessstreifen (13) laminiert wird.
46. Verfahren zur Erzeugung einer Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht auf einer einen mit mindestens einem Dehnmessstreifen (13) versehenen Verformungskörper (1) aufweisenden Kraftmesszelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenschicht (16) in einer abwechselnden Folge von einer dünnen Barriereschicht (20) mit einer Schichtdicke im Submikrometerbereich und einer dünnen Polymerschicht (19) auf eine Polymerfolie aufgebracht wird und anschliessend die Polymerfolie mitsamt der Mehrlagenschicht (16) auf einen am Verformungskörper (1) einer Kraftmesszelle applizierten Dehnmessstreifen (13), diesen und gegebenenfalls einen Teil des Verformungskörpers (1) mindestens teilweise abdeckend, laminiert wird.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Barriereschichten (20) durch Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, Plasmabeschichten, Sputtem, Sol-Gelverfahren, „chemical vapor deposition", „plasma impulse chemical vapor deposition", „combustion chemical vapor deposition", „plasma enhanced chemical vapor deposition" oder, insbesondere für das Aufbringen von Metallen, elektrochemisches Abscheiden erfolgt.
48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Veränderung der Beschichtungsparameter während der Erzeugung der Barriereschichten (20) diese in Form von mindestens zwei Teilschichten aufwachsen.
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Polymerschichten (19) durch Aufdampfen im Vakuum, Aufdampfen an Luft, insitu-Polymersisation von durch „flash evaporation" oder Plasmabeschichten aufgebrachten Monomeren oder Oligomeren, durch „spin- coating", Elektrophorese, Kataphorese oder Anaphorese erfolgt.
50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Veränderung der Beschichtungsparameter während der Erzeugung der Polymerschichten (19) diese in Form von mindestens zwei Teilschichten aufwachsen.
51. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Mehrlagenschicht (16) durch abwechselnde Beschichtung mit Polymerschichten (19) und Barriereschichten (20) innerhalb einer Beschichtungsapparatur mittels mindestens zweier Quellen in einem Arbeitsgang erfolgt.
52. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 51 , dadurch gekennzeichnet, dass die Unterlage der Mehrlagenschicht (16) vor dem Beschichtungsvorgang einer Plasmareinigung oder einer chemischen Reinigung unterzogen wird.
53. Verfahren zur Erzeugung einer Schutzschicht auf einer Reihen- oder Flächenanordnung (30, 35) von Dehnmessstreifen (13), welche Dehnmessstreifen (13) eine dehnungsempfindliche auf einem Träger (15) aufgebrachte elektrische
Widerstandsbahn (14) und Anschlusselektoden (17) zur Kontaktierung der Widerstandsbahn (14) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beschichtungsvorgang der Träger (31 , 36) der Reihen- oder Flächenanordnung (30, 35) durch eine jeden einzelnen Dehnmessstreifen (13) umgebende Schlitzanordnung durchbrochen wird, wobei Verbindungsstellen (33, 37) vorhanden sind, durch welche die Träger (15) benachbarter Dehnmessstreifen (13) miteinander verbunden sind.
54. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schlitzanordnung aus sich entlang den Seiten eines Dehnmessstreifens (13) erstreckenden Schlitzen (32, 34) erzeugt wird, wobei jeder Schlitz (32, 34) sich über nahezu die gesamte entsprechende Seitenlänge eines Dehnmessstreifens erstreckt.
55. Verfahren nach Anspruch 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzanordnung durch Ausstanzen von Material aus dem Träger (31 , 36) erzeugt wird.
56. Verfahren nach Anspruch 53, 54 oder 55, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mit einer Schlitzanordnung versehene Reihen- oder Flächenanordnung (30, 35) von Dehn messstreifen eine Mehrlagenschicht (16) als Schutzschicht aufgebracht wird.
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