WO2018050152A1 - Dehnungsmesstreifen sowie verfahren zur herstellung eines dehnungsmessstreifens - Google Patents

Dehnungsmesstreifen sowie verfahren zur herstellung eines dehnungsmessstreifens Download PDF

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WO2018050152A1
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layer
insulation layer
electrically conductive
strain gauge
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Alexander Hofmann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01L1/2293—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 of the semi-conductor type

Definitions

  • the invention relates to a strain gauge for force and strain measurement, and a method for producing a strain gauge.
  • strain gauges for measuring component strains are well known. Such strain gauges are usually adhered to a surface of a component to be examined. As a rule, the strain gauge comprises a carrier element made of a plastic and an electrically conductive resistance layer arranged on the carrier element. To protect against moisture, the resistance view is usually protected by an outer layer of plastic. Thus, the resistance layer between the support member and the outer plastic layer is embedded.
  • a strain gauge is known for example from DE 29 16 425 B1 and DE 33 17 601. There is a regular need to increase the measuring accuracy of strain gauges and to reduce or avoid incorrect measurements.
  • a strain gauge for force and strain measurement comprising a first insulating layer having an upper side, a resistive element disposed on the upper side of the first insulating layer, a second insulating layer disposed on the resistive element at least partially connected to the first insulating layer, and one on the second insulation layer disposed electrically conductive layer.
  • the first insulation layer and / or the second insulation layer is to be understood as a non-conductive or insulating layer.
  • the first insulation layer and / or the second insulation layer comprises a plastic material.
  • the first insulating layer and / or the second insulating layer Si- liciumdioxid S1O2 and / or silicon nitride comprises (Si 3 N 4) and / or aluminum oxide AI2O3.
  • the first insulation layer preferably has the same material as the second insulation layer.
  • the first insulation layer is formed differently from the second insulation layer.
  • the resistance element is preferably a resistance wire and / or a resistance foil and / or a resistance layer.
  • the resistance element particularly preferably has germanium and / or silicon.
  • the resistance wire preferably has a round and / or a rectangular cross-section.
  • the resistance wire is preferably deposited from the gas phase and / or produced by means of chemical vapor deposition (CVD). Particularly preferably, the resistance wire is machined out of a flat structure with a laser.
  • the resistance wire most preferably has a meandering structure and / or meandering pattern with one or more loops.
  • the electrically conductive layer is to be understood as meaning any layer for shielding electromagnetic radiation.
  • the electrically conductive layer is particularly preferably a conductive film, in particular a metal foil, and / or a metal layer.
  • the resistance value of the arranged on the component strain gauges measured. If, for example, the component to be examined experiences an elongation due to an external force, the resistance layer is likewise stretched, as a result of which the resistance value of the resistance layer changes accordingly.
  • the resistance value is measured by applying an electrical voltage.
  • the finding was made that electromagnetic interference fields in the vicinity of the strain gauge can influence the applied voltage and thus an influence on the measured resistance value, whereby the measurement result is falsified.
  • An electrically conductive layer is therefore arranged on the second insulation layer, which provides a shield for the resistance element. The electrically conductive layer is not electrically conductively connected to the resistive layer.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the electrically conductive layer has a base area Ai and the resistance element has a base area A2, the ratio being A1> A2.
  • the base area A1 of the electrically conductive layer is thus greater than or equal to the base area A2 of the resistance element.
  • the electrically conductive layer can completely cover the resistance element.
  • the base area A1 of the electrically conductive layer is larger than the base area A2 of the resistive element and arranged relative to the base area A2 of the resistive element such that the base area Ai of the electrically conductive layer projects over the base area A2 of the resistive element at least in sections and particularly preferably completely.
  • the base area Ai of the electrically conductive layer may be smaller than or equal to a base area A3 of the first insulation layer. It is advantageously provided that the base area Ai of the electrically conductive layer is larger than the base area A3 of the first insulating layer.
  • the electrically conductive layer may be arranged relative to the first insulation layer such that the electrically conductive layer at least partially, and particularly preferably completely, on the side regions of the first insulation layer, the first insulation layer surmounted.
  • the electrically conductive layer with the regions which project beyond the first insulating layer can be connected in an electrically conductive manner to a base body on which the strain gauge is arranged.
  • the resistance element in an advantageous development of the invention, provision is made for the resistance element to be arranged in a pattern on the upper side of the first insulation layer, so that sections and resistance-element-free sections are formed on the upper side with the resistance element.
  • the second insulating layer is in direct contact with the top of the first insulating layer.
  • the resistance-element-free sections are formed in an edge region of the top side of the first insulation layer and / or between resistance element-covered sections. In this way, the resistance element is enclosed between the first insulation layer and the second insulation layer, so that the resistance element can be protected against external influences, in particular against liquid and / or moist media.
  • the resistance element has a meander-shaped pattern.
  • the resistance element thus preferably has one or more loops on the upper side of the first insulation layer. Resistance element-free sections are thus preferably formed between the loops of the meander-shaped pattern and / or in the edge region of the first insulation layer.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the first insulating layer on a side facing away from the surface has a bottom, the second insulating layer on one side facing away from the surface of the first insulating layer has an outer side, the first insulating layer and the second insulating layer have at least one continuous material recess which is guided from the outside of the second insulating layer to the bottom of the first insulating layer and disposed in the resistor element-free portion, and the conductive layer is disposed on the outside of the second insulating layer and in the continuous material recess and is guided to the bottom of the first insulating layer. In this way, the electrically conductive layer in resistance element-free section are guided from the outside to the bottom of the first insulating layer.
  • the strain gauge has a plurality of continuous material recesses, which are arranged from the outside to the bottom in the resistance element-free sections. If the strain gauge is applied to a metallic base body, the electrically conductive layer can be electrically conductively connected to the base body and form a Faraday cage around the resistance element. In this way, the shielding effect against electromagnetic interference can be increased.
  • the resistance element has contact elements for electrically contacting the resistance element and the second insulation layer and the electrically conductive layer is recessed in the region of the contact elements. In this way, the resistance element can be supplied via the contact elements with an electrical voltage.
  • a method for producing a strain gauge comprising the steps of:
  • the electrically conductive layer is thus applied to the second insulation layer.
  • the electrically conductive layer is not electrically conductive and / or not electrically connected to the resistive element.
  • an insulating layer namely the second insulation layer, is arranged between the electrically conductive layer and the resistance element.
  • the electrically conductive layer can act as a shield for the resistance element against electromagnetic interference fields, which may have an influence on the measurement result in the vicinity of the strain gauge.
  • the first insulating layer is vapor-deposited onto the surface of a metallic base body.
  • a thin-layered first insulating layer can be applied to the surface.
  • the first insulating layer is applied with a material thickness of ⁇ 1 pm on the metallic body.
  • the resistance element is applied to the first insulation layer with a pattern, so that the first insulation layer has a section covered with a resistance element and a section free of resistance elements.
  • the resistive element-free portion is preferably formed in the edge region of the top of the first insulating layer.
  • one or more resistive element-free sections may be arranged at least in sections between the sections covered by the resistive element.
  • the resistance element has a meander-shaped pattern, which preferably has one or more loops.
  • the resistance element may be a resistance wire which is adhesively bonded to the first insulation layer.
  • a preferred development of the invention provides that the resistance element is produced such that a resistance layer is laminated to the first insulation layer, and the resistance layer is patterned by etching.
  • the resistance element is vapor-deposited on the first insulation layer in a pattern and / or applied by sputtering in a pattern. That way that can Resistance element preferably be applied with a material thickness of ⁇ 1 pm to the first insulating layer.
  • the contact elements of the resistance element are masked before the second insulation layer is applied.
  • the masking may prevent coating of the contact elements with the second insulating layer. Likewise, it can be prevented that the contact elements are short-circuited by the electrically conductive layer. For electrical contacting of the contact elements, the masking is removed after the application of the electrically conductive layer.
  • An advantageous development of the invention provides that, prior to the application of the first insulation layer, a base body masking is applied to the surface of the metallic base body in the resistance element-free section, and the base body masking is removed before the application of the electrically conductive layer. In this way it can be prevented by the Grundismemask réelle that in the areas of the Grundismemask réelle a first insulation layer is applied directly to the surface. By removing the base body masking after the application of the second insulation layer, a continuous material recess is provided in the first insulation layer and the second insulation layer.
  • At least one continuous material recess in the resistance element-free section is formed prior to the application of the electrically conductive layer.
  • FIG. 2 shows a vertical section through a strain gauge, wherein a continuous material recess is formed in a first insulation layer and a second insulation layer, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a method for producing a strain gauge, according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a further method for producing a strain gauge, according to a preferred embodiment of the invention.
  • Fig. 1 is a vertical section through a strain gauge (DMS) 10 is shown.
  • the strain gage 10 comprises a first insulating layer 12 which has a lower side 14 and an upper side 16 on a side remote from the lower side 14.
  • a resistance element 18 is arranged, wherein the resistance element 18 contact elements (not shown) for electrically contacting the resistance element 18 has.
  • the resistive element 18 is arranged in a pattern on the upper side 16 of the first insulating layer 12, so that on the upper side 16 with the resistive element 18 covered portions 20 and resistor element-free portions 22 are formed.
  • the resistance element 18 is formed meander-shaped.
  • resistance-free sections 22 are formed on the upper side 16 of the first insulating layer 12.
  • a second insulating layer 24 is arranged, which is connected in the resistance element-free sections 22 with the top 16 of the first insulating layer 12.
  • an electrically conductive layer 26 is arranged on the second insulation layer 24 .
  • the electrically conductive layer 26 is formed as a metal layer. Electromagnetic radiation in the vicinity of the strain gauge 10, which may have a disturbing effect on the introduced via the contact elements in the resistance element 18 voltage are shielded from the electrically conductive layer. In this way, the interference of electromagnetic radiation when measuring the resistance of the resistive element 18 can be reduced.
  • the strain gauge 10 is arranged with the underside 14 on a surface 28 of a metallic base body 30.
  • Fig. 2 of the known from Fig. 1 DMS 10 is shown.
  • the second insulation layer 24 has an outer side 32 on a side facing away from the upper side 16 of the first insulation layer 12.
  • the strain gauge 10 shown in FIG. 2 has continuous material recess 34 in the resistance element-free sections 22, which extends from the outside 32 of the second insulation layer 24 to the underside 14 of the first insulation layer 12 extend.
  • the conductive layer 26 is disposed on the outer side 32 of the second insulating layer 24 and formed in the continuous material recesses 34.
  • the conductive layer 26 extends in the continuous material recesses 34 from the outside 32 of the second insulation layer 24 to the bottom 14 of the first insulation layer 12. An electrically conductive connection of the electrically conductive layer 26 with the resistance element 18 is not given.
  • the strain gauge 10 is arranged with the underside 14 on the metallic base body 30.
  • the arranged in the continuous material recesses 34 electrically conductive layer 26, which is guided to the bottom 14 is thus electrically conductively connected to the metallic base body 14.
  • the base body 30 and the electrically conductive layer 26 form a Faraday cage, which is formed around the resistance element 18.
  • the Faradayan Cage can increase the effect of shielding against electromagnetic interference.
  • FIG. 3 shows a method for producing a strain gauge 10.
  • the method comprises the step of applying a first insulation layer 100 to a surface of a metallic base body to be examined.
  • the first insulating layer comprises a material of a non-conductive material and is vapor-deposited on the surface.
  • the first insulation layer has an underside which is connected to the surface of the metallic base body. In this way, the first insulating layer can be applied in a thickness of ⁇ 1 pm to the surface of the metallic base body.
  • a contact elements having resistive element 102 on an upper side of the first insulating layer, wherein the upper side is disposed on a side facing away from the underside of the first insulating layer.
  • the resistive element is vapor-deposited on the upper side of the first insulating layer. In this way, the upper side of the first insulating layer has resistor element-free sections and resistor-element-covered sections.
  • a second insulation layer is applied to the resistance element 104, the second insulation layer being connected to the upper side of the first insulation layer in the resistance element-free sections.
  • the second insulating layer comprises a nonconducting material and is vapor-deposited on the resistive element or in the resistive element-free sections on the surface of the first insulating layer.
  • the resistive element is disposed between the first insulating layer and the second insulating layer.
  • FIG. 4 shows the method known from FIG. 3 for producing the strain gauge, the method known from FIG. 3 having further manufacturing steps.
  • a base body masking is applied to the surface of the metallic base body in the resistance element-free section. In this way, it can be prevented by the base body masking that in the areas of the base body masking a first insulation layer is applied directly to the surface of the metallic base body.
  • the contact elements of the resistance element are masked before the application of the second insulation layer.
  • the masking can prevent a coating of the contact elements with the second insulation layer. Likewise, it can be prevented that the electrical contacts are short-circuited by the electrically conductive layer.
  • the application of the second insulating layer 104 is followed by a removal of the base body mask 12.
  • a removal of the base body mask 12 By removing the GrundWorkmask réelle 1 12 a continuous material recess in the first insulating layer and the second insulating layer is produced.
  • the electrically conductive layer is applied to the second insulating layer 106.
  • the electrically conductive layer can be electrically conductively connected to the metallic base body. In this way, a Faraday cage can be formed by the metallic base body and the electrically conductive layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen (10) zur Kraft- und Dehnungsmessung umfassend eine erste Isolationsschicht (12) einer Oberseite (16), ein auf der Oberseite (16) der ersten Isolationsschicht (12) angeordnetes Widerstandselement (18), eine auf dem Widerstandselement (18) angeordnete zweite Isolationsschicht (24), die zumindest abschnittsweise mit der ersten Isolationsschicht (12) verbunden ist, und eine auf der zweiten Isolationsschicht (24) angeordnete elektrisch leitfähige Schicht (26). Auf diese Weise wird ein Dehnungsmessstreifen bereitgestellt, der eine reduzierte Anfälligkeit für elektromagnetische Störfelder aufweist.

Description

Dehnungsmesstreifen sowie Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens
Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen zur Kraft- und Dehnungsmessung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens.
Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Messen von Bauteildehnungen sind allgemein bekannt. Derartige Dehnungsmessstreifen werden in der Regel auf eine Oberfläche ei- nes zu untersuchenden Bauteils aufgeklebt. Der Dehnungsmessstreifen umfasst in der Regel ein Trägerelement aus einem Kunststoff und eine auf dem Trägerelement angeordnete elektrisch leitfähige Widerstandsschicht. Zum Schutz vor Feuchtigkeit wird die Widerstandssicht in der Regel durch eine äußere Kunststoffschicht geschützt. Somit ist die Widerstandsschicht zwischen dem Trägerelement und der äußeren Kunststoffschicht eingebettet.
Ein Dehnungsmessstreifen ist beispielsweise aus der DE 29 16 425 B1 und der DE 33 17 601 bekannt. Es besteht ein regelmäßiger Bedarf die Messgenauigkeit von Dehnungsmessstreifen zu erhöhen und Fehlmessungen zu reduzieren oder zu vermeiden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Dehnungsmesstreifen und eine Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens bereitzustellen, der eine erhöhte Mess- genauigkeit und eine reduzierte Störanfälligkeit aufweist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Dehnungsmessstreifen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5. Bevorzugte Ausge- staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Erfindungsgemäß ist ein Dehnungsmessstreifen zur Kraft- und Dehnungsmessung vorgesehen, umfassend eine erste Isolationsschicht mit einer Oberseite, ein auf der Oberseite der ersten Isolationsschicht angeordnetes Widerstandselement, eine auf dem Widerstandselement angeordnete zweite Isolationsschicht, die zumindest abschnittsweise mit der ersten Isolationsschicht verbunden ist, und eine auf der zweiten Isolationsschicht angeordnete elektrisch leitfähige Schicht.
Unter der ersten Isolationsschicht und/oder der zweiten Isolationsschicht ist eine nicht leitfähige bzw. isolierende Schicht zu verstehen. Vorzugsweise weist die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht ein Kunststoffmaterial auf. Besonders bevorzugt umfasst die erste Isolationsschicht und/oder die zweite Isolationsschicht Si- liciumdioxid S1O2 und/oder Siliciumnitrid (Si3N4) und/oder Aluminiumoxid AI2O3. Vorzugsweise weist die erste Isolationsschicht das gleiche Material wie die zweite Isolati- onsschicht auf. Besonders bevorzugt ist die erste Isolationsschicht von der zweiten Isolationsschicht verschiedenartig ausgebildet.
Das Widerstandselement ist vorzugsweise ein Widerstandsdraht und/oder eine Widerstandsfolie und/oder eine Widerstandsschicht. Besonders bevorzugt weist das Wi- derstandselement Germanium und/oder Silicium auf. Der Widerstandsdraht hat vorzugsweise einen runden und/oder einen rechteckigen Querschnitt. Vorzugsweise wird der Widerstandsdraht aus der Gasphase abgeschieden und/oder mittels des chemical vapour deposition (CVD) hergestellt. Besonders bevorzugt wird der Widerstandsdraht mit einem Laser aus einer flächigen Struktur herausgearbeitet. Ganz besonders be- vorzugt weist der Widerstandsdraht eine mäanderförmige Struktur und/oder mäander- förmige Musterung mit ein oder mehreren Schlaufen auf.
Unter der elektrisch leitfähigen Schicht ist eine jede Schicht zur Schirmung elektromagnetischer Strahlung zu verstehen. Besonders bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Schicht eine leitfähige Folie, insbesondere eine Metallfolie, und/oder eine Metallschicht.
Zur Erfassung einer Bauteildehnungen und/oder eine Kraft bzw. eines Drehmoments wird der Widerstandswert des auf dem Bauteil angeordneten Dehnungsmessstreifen gemessen. Erfährt das zu untersuchende Bauteil beispielsweise aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung eine Dehnung, wird die Widerstandsschicht ebenfalls gedehnt, wodurch sich der Widerstandswert der Widerstandsschicht entsprechend ändert. Der Widerstandswert wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung gemessen. Bei der Erfindung wurde die Erkenntnis genutzt, dass elektromagnetische Störfelder im Umfeld des Dehnungsmessstreifens Einfluss auf die angelegte Spannung und somit einen Einfluss auf den gemessenen Widerstandswert haben können, wodurch das Messergebnis verfälscht wird. Auf der zweiten Isolationsschicht ist daher eine elektrisch leitfähige Schicht angeordnet, die eine Abschirmung für das Widerstandse- lement bereitstellt. Die elektrisch leitfähige Schicht ist nicht elektrisch leitend mit der Widerstandsschicht verbunden. Auf diese Weise können elektromagnetische Strahlen im Umfeld des Dehnungsmessstreifens durch die elektrisch leitfähige Schicht von dem Widerstandselement abgeschirmt werden, wodurch der Einfluss elektromagnetischer Störwirkungen beim Messen des Widerstandswerts des Widerstandselements redu- ziert und somit die Messgenauigkeit des Dehnungsmessstreifens erhöht werden kann.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die elektrisch leitfähige Schicht eine Grundfläche Ai aufweist und das Widerstandselement eine Grundfläche A2 aufweist, wobei das Verhältnis gilt A1 > A2. Die Grundfläche A1 der elektrisch leitfä- higen Schicht ist somit größer oder gleich der Grundfläche A2 des Widerstandselements. Auf diese Weise kann die elektrisch leitfähige Schicht das Widerstandselement vollständig überdecken. Besonders bevorzugt ist die Grundfläche A1 der elektrisch leitfähigen Schicht größer als die Grundfläche A2 des Widerstandselements und derart relativ zur Grundfläche A2 des Widerstandselements angeordnet, dass die Grundflä- che Ai der elektrisch leitfähigen Schicht die Grundfläche A2 des Widerstandselements zumindest abschnittsweise und besonderes bevorzugt vollständig überragt.
Grundsätzlich kann die Grundfläche Ai der elektrisch leitfähigen Schicht kleiner oder gleich einer Grundfläche A3 der ersten Isolationsschicht sein. Vorteilhaft ist vorgese- hen, dass die Grundfläche Ai der elektrisch leitfähigen Schicht größer als die Grundfläche A3 der ersten Isolationsschicht ist. Auf diese Weise kann die elektrisch leitfähige Schicht derart relativ zur ersten Isolationsschicht angeordnet sein, dass die elektrisch leitfähige Schicht die erste Isolationsschicht zumindest abschnittsweise und besonders bevorzugt vollständig an den Seitenbereichen der ersten Isolationsschicht überragt. Vorzugsweise kann die elektrisch leitfähige Schicht mit den Bereichen, die die erste Isolationsschicht überragen, mit einem Grundkörper, auf dem der Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, elektrisch leitend verbunden sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Widerstandselement in einem Muster auf der Oberseite der ersten Isolationsschicht angeordnet ist, so dass auf der Oberseite mit dem Widerstandselement bedeckte Abschnitte und widerstandselementfreie Abschnitte ausgebildet sind. In den Widerstandselementfreien Abschnitten ist die zweite Isolationsschicht in einem direkten Kontakt mit der Oberseite der ersten Isolationsschicht. Besonders bevorzugt sind die widerstand- selementfreien Abschnitte in einem Randbereich der Oberseite der ersten Isolationsschicht und/oder zwischen widerstandselementbedeckten Abschnitten ausgebildet. Auf diese Weise ist das Widerstandselement zwischen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht eingefasst, so dass das Widerstandselement vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor flüssigen und/oder feuchten Medien, geschützt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Widerstandselement eine mäanderförmige Musterung aufweist. Das Widerstandsele- ment weist somit vorzugsweise eine oder mehrere Schlaufen auf der Oberseite der ersten Isolationsschicht auf. Widerstandselementfreie Abschnitte sind somit bevorzugt zwischen den Schlaufen der mäanderförmigen Musterung und/oder im Randbereich der ersten Isolationsschicht ausgebildet. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Isolationsschicht auf einer der Oberfläche abgewandten Seite eine Unterseite aufweist, die zweite Isolationsschicht auf einer der Oberfläche der ersten Isolationsschicht abgewandten Seite eine Außenseite aufweist, die erste Isolationsschicht und die zweite Isolationsschicht wenigstens eine durchgehende Materialausnehmung aufweisen, die von der Außenseite der zweiten Isolationsschicht bis zur Unterseite der ersten Isolationsschicht geführt ist und im Widerstandselementfreien Abschnitt angeordnet ist, und die leitfähige Schicht auf der Außenseite der zweiten Isolationsschicht und in der durchgehenden Materialausnehmung angeordnet ist und bis zur Unterseite der ersten Isolationsschicht geführt ist. Auf diese Weise kann die elektrische leitfähige Schicht im widerstandselementfreien Abschnitt von der Außenseite bis zur Unterseite der ersten Isolationsschicht geführt werden. Vorzugsweise weist der Dehnungsmesstreifen eine Mehrzahl durchgehender Materialausnehmungen auf, die von der Außenseite bis zur Unterseite in den widerstandselementfreien Abschnitten angeordnet sind. Ist der Deh- nungsmessstreifen auf einem metallischen Grundkörper aufgebracht, kann die elektrisch leitfähige Schicht elektrisch leitfähig mit dem Grundkörper verbunden werden und einen Faraday'schen Käfig um das Widerstandselement bilden. Auf diese Weise kann die Abschirmungwirkung gegenüber elektromagnetischen Störungen erhöht werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Widerstandselement Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandselements aufweist und die zweite Isolationsschicht und die elektrisch leitfähige Schicht im Bereich der Kontaktelemente ausgespart ist. Auf diese Weise kann das Widerstandselement über die Kontaktelemente mit einer elektrischen Spannung versorgt werden.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens vorgesehen, wobei der Dehnungsmessstreifen eine erste Isolationsschicht mit einer Oberseite, ein auf der Oberseite der ersten Isolationsschicht angeordnetes Wi- derstandselement, eine auf dem Widerstandselement angeordnete zweite Isolationsschicht, die zumindest abschnittsweise mit der ersten Isolationsschicht verbunden ist, und eine auf der zweiten Isolationsschicht angeordnete elektrisch leitfähige Schicht aufweist, umfassend die Schritte:
a) Aufbringen einer ersten Isolationsschicht auf eine zu untersuchende Oberfläche ei- nes Grundkörpers, wobei eine Unterseite der ersten Isolationsschicht mit dem Grundkörper im Kontakt ist;
b) Aufbringen eines Kontaktelemente aufweisenden Widerstandselements auf einer Oberseite der ersten Isolationsschicht, wobei die Oberseite auf einer der Unterseite abgewandte Seite angeordnet ist;
c) Aufbringen einer zweiten Isolationsschicht auf das Widerstandselement;
d) Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf die zweite Isolationsschicht.
Auf der zweiten Isolationsschicht wird somit eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. Die elektrisch leitfähige Schicht ist nicht elektrisch leitfähig und/oder nicht elektrisch leitend mit dem Widerstandselement verbunden. Das heißt, dass zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem Widerstandselement eine isolierende Schicht, nämlich die zweite Isolationsschicht, angeordnet ist. Somit kann die elektrisch leitfähige Schicht als Abschirmung für das Widerstandselement gegenüber elektro- magnetischer Störfelder, die in der Umgebung des Dehnungsmessstreifens Einfluss auf das Messergebnis haben können, wirken.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Isolationsschicht auf die Oberfläche eines metallischen Grundkörpers aufgedampft wird. Auf diese Weise kann vorzugsweise eine dünnschichtige erste Isolationsschicht auf die Oberfläche aufgetragen werden. Vorzugsweise wird die erste Isolationsschicht mit einer Materialstärke von < 1 pm auf den metallischen Grundkörper aufgetragen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wi- derstandselement mit einem Muster auf die erste Isolationsschicht aufgebracht wird, so dass die erste Isolationsschicht einen mit einem Widerstandselement bedeckten Abschnitt und einen Widerstandselementfreien Abschnitt aufweist. Der Widerstandselementfreie Abschnitt ist vorzugsweise im Randbereich der Oberseite der ersten Isolationsschicht ausgebildet. Je nach Musterung des Widerstandselements können ein oder mehrere Widerstandselementfreie Abschnitte zumindest abschnittsweise zwischen den mit dem Widerstandselement bedeckten Abschnitten angeordnet sein. Vorzugswiese weist das Widerstandselement eine mäanderförmige Musterung auf, die vorzugsweise eine oder mehrere Schlaufen aufweist.
Grundsätzlich kann das Widerstandselement ein Widerstandsdraht sein, der auf die erste Isolationsschicht aufgeklebt wird. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Widerstandselement derart hergestellt wird, dass eine Widerstandsschicht auf die erste Isolationsschicht kaschiert wird, und die Widerstandsschicht durch ausätzen gemustert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Widerstandselement auf die erste Isolationsschicht in einem Muster aufgedampft und/oder durch Sputtern in einem Muster aufgebracht wird. Auf diese Weise kann das Widerstandselement vorzugsweise mit einer Materialstärke von < 1 pm auf die erste Isolationsschicht aufgebracht werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontakte- lemente des Widerstandselements vor dem Aufbringen der zweiten Isolationsschicht maskiert werden. Die Maskierung kann eine Beschichtung der Kontaktelemente mit der zweiten Isolationsschicht verhindern. Ebenso kann verhindert werden, dass die Kontaktelemente durch die elektrisch leitfähige Schicht kurzgeschlossen werden. Zum elektrischen Kontaktierung der Kontaktelemente wird die Maskierung nach dem Auf- tragen der elektrisch leitfähigen Schicht entfernt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor dem Aufbringen der ersten Isolationsschicht eine Grundkörpermaskierung auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers im Widerstandselementfreien Abschnitt aufgetragen wird, und die Grundkörpermaskierung vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schicht entfernt wird. Auf diese Weise kann durch die Grundkörpermaskierung verhindert werden, dass in den Bereichen der Grundkörpermaskierung eine erste Isolationsschicht direkt auf die Oberfläche aufgetragen wird. Durch das Entfernen der Grundkörpermaskierung nach dem Auftragen der zweiten Isolationsschicht wird eine durchgehende Mate- rialausnehmung in der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht bereitgestellt. Auf diese Weise kann durch das Auftragen der elektrisch leitfähigen Schicht auf die zweite Isolationsschicht Material der elektrisch leitfähigen Schicht in die durchgehende Materialausnehmung bis zum Grundkörper gelangen, so dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht und dem metallischen Grundkörper hergestellt werden kann.
Abschließend ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schicht wenigsten eine durchgehende Materialausnehmung im Widerstandselementfreien Abschnitt, vorzugsweise durch au- Sätzen, ausgebildet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfol- gend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Dehnungsmessstreifen gemäß einem bevor- zugten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Dehnungsmessstreifen, wobei in einer ersten Isolationsschicht und einer zweiten Isolationsschicht eine durchgehende Materialaus- nehmung ausgebildet ist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung,
Fig. 3 ein Verfahren zum Herstellen eines Dehnungsmessstreifens, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Dehnungsmessstreifens, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch einen Dehnungsmessstreifen (DMS) 10 gezeigt. Der Dehnungsmessstreifen 10 umfasst eine erste Isolationsschicht 12, die eine Unter- seite 14 und auf einer der Unterseite 14 abgewandten Seite eine Oberseite 16 aufweist. Auf der Oberseite 16 der ersten Isolationsschicht 12 ist ein Widerstandselement 18 angeordnet, wobei das Widerstandselement 18 Kontaktelemente (nicht dargestellt) zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandselements 18 aufweist. Das Widerstandselement 18 ist in einem Muster auf der Oberseite 16 der ersten Isolationsschicht 12 angeordnet, so dass auf der Oberseite 16 mit dem Widerstandselement 18 bedeckte Abschnitte 20 und Widerstandselementfreie Abschnitte 22 ausgebildet sind. Vorliegend ist das Widerstandselement 18 mäanderförmig ausgebildet. Somit sind in einem Randbereich auf der Oberseite 16 und zumindest abschnittsweise zwischen den Schlaufen des mäanderförmigen Widerstandselements 18 widerstand- selementfreie Abschnitte 22 auf der Oberseite 16 der ersten Isolationsschicht 12 ausgebildet. Auf dem Widerstandselement 18 ist eine zweite Isolationsschicht 24 angeordnet, die in den Widerstandselementfreien Abschnitten 22 mit der Oberseite 16 der ersten Isolationsschicht 12 verbunden ist. Auf der zweiten Isolationsschicht 24 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 26 angeordnet. Die elektrisch leitfähige Schicht 26 ist als Metall- schicht ausgebildet. Elektromagnetische Strahlen im Umfeld des Dehnungsmessstreifens 10, die einen Störwirkung auf die über die Kontaktelemente in das Widerstandselement 18 eingebrachte Spannung haben können, werden von der elektrisch leitfähigen Schicht abgeschirmt. Auf diese Weise kann die Störwirkung elektromagnetischer Strahlen beim Messen des Widerstandswerts des Widerstandselements 18 reduziert werden.
Der DMS 10 ist mit der Unterseite 14 auf einer Oberfläche 28 eines metallischen Grundkörpers 30 angeordnet. In Fig. 2 ist der aus Fig. 1 bekannte DMS 10 gezeigt. Die zweite Isolationsschicht 24 weist auf einer der Oberseite 16 der ersten Isolationsschicht 12 abgewandten Seite eine Außenseite 32 auf. Im Unterschied zu dem aus Fig. 1 bekannten DMS 10 weist der in Fig. 2 gezeigte DMS 10 in den Widerstandselementfreien Abschnitten 22 durchgehende Materialausnehmung 34 auf, die sich von der Außenseite 32 der zweiten Iso- lationsschicht 24 bis zur Unterseite 14 der ersten Isolationsschicht 12 erstrecken. Die leitfähige Schicht 26 ist auf der Außenseite 32 der zweiten Isolationsschicht 24 angeordnet und in den durchgehenden Materialausnehmungen 34 ausgebildet. Somit erstreckt sich die leitfähige Schicht 26 in den durchgehenden Materialausnehmungen 34 von der Außenseite 32 der zweiten Isolationsschicht 24 bis zur Unterseite 14 der ers- ten Isolationsschicht 12. Eine elektrisch leitfähige Verbindung der elektrisch leitfähigen Schicht 26 mit dem Widerstandselement 18 ist nicht gegeben.
Der Dehnungsmessstreifen 10 ist mit der Unterseite 14 auf dem metallischen Grundkörper 30 angeordnet. Die in den durchgehenden Materialausnehmungen 34 ange- ordnete elektrisch leitfähige Schicht 26, die bis zur Unterseite 14 geführt ist, ist somit elektrisch leitfähig mit dem metallischen Grundkörper 14 verbunden. Auf diese Weise bilden der Grundkörper 30 und die elektrische leitfähige Schicht 26 einen Faraday- schen Käfig, der um das Widerstandselement 18 ausgebildet ist. Der Faradayische Käfig kann die Wirkung der Abschirmung gegenüber elektromagnetischen Störungen erhöhen.
In Fig. 3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifen 10 dargestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Aufbringens einer ersten Isolationsschicht 100 auf eine zu untersuchende Oberfläche eines metallischen Grundkörpers. Die erste Isolationsschicht umfasst ein Material aus einem nichtleitenden Material und wird auf die Oberfläche aufgedampft. Die erste Isolationsschicht weist eine Unterseite auf, die mit der Oberfläche des metallischen Grundkörpers verbunden ist. Auf diese Weise kann die erste Isolationsschicht in einer Dicke von < 1 pm auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers aufgebracht werden.
In einem zweiten Schritt erfolgt das Aufbringen eines Kontaktelemente aufweisenden Widerstandselements 102 auf einer Oberseite der ersten Isolationsschicht, wobei die Oberseite auf einer der Unterseite abgewandten Seite der ersten Isolationsschicht angeordnet wird. Das Widerstandselement wird mäanderförmige auf die Oberseite der ersten Isolationsschicht aufgedampft. Auf diese Weise weist die Oberseite der ersten Isolationsschicht Widerstandselementfreie Abschnitte und widerstandselementbedeck- te Abschnitte auf.
In einem dritten Schritt erfolgt das Aufbringen einer zweiten Isolationsschicht auf das Widerstandselement 104, wobei in den Widerstandselementfreien Abschnitten die zweite Isolationsschicht mit der Oberseite der ersten Isolationsschicht verbunden wird. Die zweite Isolationsschicht umfasst ein nichtleitendes Material und ist auf das Widerstandselement bzw. in den Widerstandselementfreien Abschnitten auf die Oberfläche der ersten Isolationsschicht aufgedampft. Somit ist das Widerstandselement zwischen der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht angeordnet.
In einem vierten Schritt erfolgt das Aufbringen einer elektrischen leitfähigen Schicht 106 auf die zweite Isolationsschicht. Die zweite leitfähige Schicht ist eine Metallschicht, die gegenüber elektromagnetischen Störfeldern aus einer Umgebung des Dehnungsmessstreifens eine abschirmende Wirkung aufweist. Fig. 4 zeigt das aus Fig. 3 bekannte Verfahren zur Herstellung des Dehnungsmessstreifens, wobei das aus Fig. 3 bekannt Verfahren weitere Herstellungsschritte aufweist. Vor dem Aufbringen der ersten Isolationsschicht 100 wird eine Grundkörpermaskierung auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers im Widerstandselementfreien Abschnitt aufgetragen 108 wird. Auf diese Weise kann durch die Grundkörpermaskierung verhindert werden, dass in den Bereichen der Grundkörpermaskierung eine erste Isolationsschicht direkt auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers aufgetra- gen.
In einem weiteren Schritt ist vorgesehen, dass die Kontaktelemente des Widerstandselements vor dem Aufbringen der zweiten Isolationsschicht maskiert 1 10 werden. Die Maskierung kann eine Beschichtung der Kontaktelemente mit der zweiten Isolations- schicht verhindern. Ebenso kann verhindert werden, dass die elektrischen Kontakte durch die elektrisch leitfähige Schicht kurzgeschlossen werden.
Dem Auftragen der zweiten Isolationsschicht 104 ist eine Entfernung der Grundkörpermaskierung 1 12 nachgeschaltet. Durch das Entfernen der Grundkörpermaskierung 1 12 wird eine durchgehende Materialausnehmung in der ersten Isolationsschicht und der zweiten Isolationsschicht hergestellt.
Die elektrisch leitfähige Schicht wird auf die zweite Isolationsschicht 106 aufgetragen. Im Bereich der durchgehenden Materialausnehmung kann die elektrisch leitfähige Schicht mit dem metallischen Grundkörper elektrisch leitfähig verbunden werden. Auf diese Weise kann durch den metallischen Grundkörper und die elektrisch leitfähige Schicht ein Faradayischer Käfig gebildet werden.
Nach dem Auftragen der zweiten Isolationsschicht 106 wird die Maskierung der Kon- taktelemente entfernt 1 14, so dass die Kontaktelemente mit einem elektrischen Leiter zum Anlegen einer elektrischen Spannung an das Widerstandselement kontaktiert werden können. Bezuqszeichenliste Dehnungsmessstreifen
Erste Isolationsschicht
Unterseite
Oberseite
Widerstandselement
Widerstandselementbedeckter Abschnitt Widerstandselementfreier Abschnitt
Zweite Isolationsschicht
Elektrisch leitfähige Schicht
Oberfläche
Grundkörper
Außenseite
Materialausnehmung Aufbringen erste Isolationsschicht
Aufbringen Widerstandselement
Aufbringen zweite Isolationsschicht
Aufbringen elektrisch leitfähige Schicht Aufbringen Grundkörpermaskierung
Aufbringen Kontaktmaskierung
Entfernung Grundkörpermaskierung
Entfernung Kontaktmaskierung

Claims

Patentansprüche
1 . Dehnungsmessstreifen (10) zur Kraft- und Dehnungsmessung umfassend eine erste Isolationsschicht (12) mit einer Oberseite (16), ein auf der Oberseite (16) der ersten Isolationsschicht (12) angeordnetes Widerstandselement (18), eine auf dem Widerstandselement (18) angeordnete zweite Isolationsschicht (24), die zumindest abschnittsweise mit der ersten Isolationsschicht (12) verbunden ist, und eine auf der zweiten Isolationsschicht (24) angeordnete elektrisch leitfähige Schicht (26).
2. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1 , wobei das Widerstandselement (18) in einem Muster auf der Oberseite (16) der ersten Isolationsschicht (12) angeordnet ist, so dass auf der Oberseite (16) mit dem Widerstandselement (18) bedeckte Abschnitte (20) und Widerstandselementfreie Abschnitte (22) ausgebildet sind.
3. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolationsschicht auf einer der Oberfläche abgewandten Seite eine Unterseite aufweist, die zweite Isolationsschicht (24) auf einer der Oberfläche (16) der ersten Isolationsschicht (12) abgewandten Seite eine Außenseite (32) aufweist, die erste Isolationsschicht (12) und die zweite Isolationsschicht (24) wenigstens eine durchgehende Materialausnehmung (34) aufweisen, die von der Außenseite (32) der zweiten Isolationsschicht (24) bis zur Unterseite (14) der ersten Isolationsschicht (12) geführt ist und im Widerstandselementfreien Abschnitt (22) angeordnet ist, und die leitfähige Schicht (24) auf der Außenseite (32) der zweiten Isolationsschicht (24) und in der durchgehenden Materialausnehmung (34) angeordnet ist.
4. Dehnungsmessstreifen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Widerstandselement (18) eine mäanderförmige Musterung aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Dehnungsmessstreifens nach einem der An- sprüche 1 bis 4, umfassend die Schritte: a) Aufbringen einer ersten Isolationsschicht (100) auf eine zu untersuchende Oberfläche eines Grundkörpers, wobei eine Unterseite der ersten Isolationsschicht mit dem Grundkörper im Kontakt ist; b) Aufbringen eines Kontaktelemente aufweisenden Widerstandselements (102) auf einer Oberseite der ersten Isolationsschicht, wobei die Oberseite auf einer der Unterseite abgewandte Seite angeordnet ist; c) Aufbringen einer zweiten Isolationsschicht (104) auf das Widerstandselement; d) Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht (106) auf die zweite Isolationsschicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolationsschicht auf die Oberfläche eines metallischen Grundkörpers aufgedampft wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement auf die erste Isolationsschicht in einem Muster aufgedampft und/oder durch Sputtern in einem Muster aufgebracht wird, so dass auf der ersten Isolationsschicht widerstandselementbedeckte Abschnitte und Widerstandselementfreie Abschnitte ausgebildet sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der ersten Isolationsschicht eine Grundkörpermaskierung auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers im Widerstandselementfreien Abschnitt der ersten Isolationsschicht aufgetragen (108) wird, und die Grundkörpermaskierung vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schicht entfernt wird (1 12).
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der elektrisch leitfähigen Schicht wenigsten eine durchgehende Materialausnehmung im widerstandselementfreien Abschnitt der ersten Isolationsschicht, vorzugsweise durch ausätzen, ausgebildet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente des Widerstandselements (1 10) vor dem Aufbringen der zweiten Isolationsschicht maskiert werden.
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