DE3421963C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungssensor mit einem Trägerkörper mit einer auf dem Trägerkörper ausgebil­ deten Isolierschicht, wobei der Trägerkörper einen Abschnitt zur Erzeugung eines Dehnungsmeßsignals aufweist, mit einer Mehrzahl von auf der Isolierschicht ausgebildeten Dehnungsmeßstreifenwiderständen sowie mit einem Muster aus Leiterbahnen, die die Dehnungsmeß­ streifenwiderstände zu einer elektrischen Brückenschaltung ver­ binden, wobei die Leiterbahnen eine erste und eine zweite Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff umfassen, wie er aus der DE 27 45 263 A1 bekannt ist.

Bei herkömmlichen Dehnungssensoren des Dünnfilmtyps ist ein Leiterbild, das eine Brückenschaltung durch entsprechendes Ver­ binden von Dehnungsmeßstreifenwiderständen miteinander dar­ stellt, aus Gold gebildet. In diesem Fall wird, wenn ein Widerstandswert dieses Leiterbildes nicht auf einen Betrag her­ untergesetzt wird, der ausreichend kleiner als die Widerstands­ werte der Dehnungsstreifenwiderstände ist, das Brücken­ gleichgewicht beeinflußt. Wenn angenommen wird, daß ein Brücken­ widerstand 2 kΩ beträgt, die Eingangsspannung 10 V ist und ein Widerstandswert des Leiterbildes von 0.24 Ω vorliegt, be­ trägt der Spannungsfehler durch die Beeinflussung, mit der der Widerstand dieses Leiterbildes das Gleichgewicht der Brücken­ schaltung beeinträchtigt, etwa 600 µV. Wenn angenommen wird, daß die Länge des Leiterbildes 10 mm und dessen Breite 0.5 mm ist und daß dieses aus Gold hergestellt ist, ist es not­ wendig, eine Dicke des Leiterbildes auf 2 µm oder weniger fest­ zulegen, um den Spannungsfehler durch den Einfluß, mit dem das Leiterbild das Brückengleichgewicht beeinträchtigt, auf weniger als 600 µV herabzusetzen.

Der Widerstandswert R des Leiterbildes ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei ρ der spezifische Widerstand des Leiterbildes und l, w und t die Länge, die Breite bzw. die Dicke des Leiterbildes re­ präsentieren.

Die Gleichung (1) kann wie folgt umgestellt werden:

wobei durch Einsetzen von R=0.24 Ω, l=10 mm, w=0,5 mm und ρ=2.4×10^-6 (Ω · m) in die Gleichung (2) t=2 µm ist. Auf diese Weise werden, wenn die entsprechenden Verbindungen mit einer Dicke von 2 µm ausgebil­ det werden, deren Kosten beträchtlich erhöht.

Obgleich in Erwägung gezogen wird, das Leiterbild durch ein billiges Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder ein ähnliches Metall anstelle von Gold zu bilden, um eine derartige Steigerung der Kosten zu verhindern, haben diese Me­ talle eine geringere Korrosionsbeständigkeit als Gold, und die Oberflächen dieser Metalle oxidieren bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit oder dgl., so daß der Widerstandswert des Leiterbildes erhöht wird. Aufgrund dieser Tatsache ändert sich im Verlaufe der Zeit das Brückengleichgewicht, und es ist daher nicht sinnvoll, das Leiterbild aus Kupfer, Aluminium oder dergl. zu bilden.

Aus der Druckschrift DE 27 45 263 A1 ist ein Meßfühler mit Deh­ nungsmeßstreifen und mit einem Temperaturfühler bekannt, der auf einem isolierenden, verformbaren Substrat eine erste Schicht aus einer Metallegierung und eine erste dünne Metall­ schicht, eine zweite Metallschicht auf der ersten dünnen Metall­ schicht sowie eine Brücke aus Meßstreifen aus einer Me­ tallegierung hat, die durch metallische Verbindungen aus dicken Schichten in einer bestimmten Konfiguration miteinander verbun­ den sind, wobei für den Meßfühler als Metall Gold, Platin, Sil­ ber oder Nickel verwendet sind.

Aus der Druckschrift DE 30 42 506 A1 ist ein Meßgrößenumformer mit einem Dünnschicht-Beanspruchungsmesser bekannt, der eine leitende Schicht aus Nickel oder Kupfer aufweist.

Aus der Druckschrift DE 29 16 390 A1 ist eine aus zwei oder mehr Dehnungsmeßstreifen gebildete Brückenschaltung bekannt, bei der eine Isolierschicht aus Polyimid vorgesehen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dehnungssensor zu schaffen, der ein chemisch stabiles, gegen Korrosion und Oxidation geschütztes Leiterbild enthält, das so ausgebildet ist, daß es einen niedrigen Widerstandswert hat und kostengünstig aufgrund geringer Werkstoffkosten herstellbar ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Dehnungssensor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Schicht eine solche Dicke hat, daß der Widerstand der Leiterbahnen im wesentlichen von ihr bestimmt wird, und daß die zweite Schicht eine die erste Schicht gegen Korrosion oder Oxidation schützende Schicht ist, dünner ist als die erste Schicht und aus einem Metall besteht, das chemisch stabiler ist als der Werkstoff der ersten Schicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können, da die erste leitende Schicht durch die zweite leitende Schicht, welche chemisch neu­ tral, nichtreaktiv und stabil ist, bedeckt ist, eine Oxidation und eine Korrosion der ersten leitenden Schicht auf ein Minimum beschränkt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer, ein Ausfüh­ rungsbeispiel darstellender Figuren im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kraftmeßdose, die einen Dehnungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 gezeigten Dehnungssensors.

Fig. 3 zeigt einen Teil des Kraftmeßdosen-Aufbaus, der eine Folie aus Gold, Kupfer und Nickel-Chrom-Schichten aufweist, die not­ wendig ist, um die in Fig. 1 gezeigte Kraftmeßdose zu bilden.

Fig. 4 zeigt einen Teil des Kraftmeßdosen-Aufbaus, der ein Leiterbild aufweist, das durch Entfernen der Folien­ schichten, die in Fig. 3 gezeigt sind, mittels Ätzen ausgebildert ist.

Fig. 5 zeigt einen Teil der Kraftmeßdose, die eine Brücken­ schaltung aufweist, welche durch selektives Entfernen der Gold- und Kupfer-Schichten in dem in Fig. 4 gezeigten Leiterbild ausgebildet ist.

Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht längs einer Linie VI-VI der in Fig. 5 gezeigten Kraftmeßdose.

Fig. 1 zeigt, wie bereits erläutert, eine perspektivische Ansicht einer Kraftmeßdose, die mit einem Dehnungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfin­ dung ausgestattet ist. Diese Kraftmeßdose hat einen Träger­ körper 2, der durch Ausschneiden aus rostfreiem Stahl oder Duraluminium gewon­ nen wird, und ein Kraftmeßdosen-Element oder einen Dehnungssensor 4, der auf dem Trägerkörper 2 ausgebildet ist. Dieser Trägerkörper hat zwei Durchgangslöcher 2-1 und 2-2, die so ausgebildet sind, daß sie einen Haltebügel (nicht gezeigt) zum Halten eines Wiegetrogs an einem beweg­ lichen Ende aufnehmen können. Des weiteren hat dieser Trä­ gerkörper 2 zwei seitliche Durchgangslöcher 2-4 und 2-5, die so ausgebildet sind, daß sie sich seitwärts erstrecken, sowie ein Verbindungsloch 2-6, das so ausgebildet ist, daß es sich zum Verbinden der Durchgangslöcher 2-4 und 2-5 seitwärts erstreckt. Diejenigen Teile des Trägerkörpers 2, die mit den oberen Abschnitten der Durchgangslöcher 2-4 und 2-5 korre­ spondieren, bilden einen Dehnungsmeßsignal-Erzeugungs-Ab­ schnitt.

Der Dehnungssensor 4 weist eine als Film ausgebildete Isolierschicht 4-1 aus Polyimidharz, die auf dem Trägerkörper 2 ausgebildet ist, vier Dehnungsmeß­ streifenwiderstände 4-2 bis 4-5, die auf der Isolierschicht 4-1 in einer Position, die mit dem Dehnungsmeßsignal-Erzeugungsabschnitt des Trägerkörpers 2 korrespondiert, ausgebildet sind, Ein­ gangsanschlüsse 4-6 und 4-7, Ausgangsanschlüsse 4-8 und 4-9 sowie Leiterbahnen 4-10, die eine Dehnungsmeßstrei­ fen-Brückenschaltung mit einer Ersatzschaltung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, durch selektives Verbinden der vier Dehnungsmeß­ streifenwiderstände 4-2 bis 4-5 und Eingangs- und Aus­ gangsanschlüsse 4-6 bis 4-9 bilden, auf. In der Ersatz­ schaltung, die in Fig. 2 gezeigt ist, korrespondieren die Widerstände R1 bis R4 jeweils mit den Dehnungsmeßstreifenwiderständen 4-2 bis 4-5, die Eingangsanschlüsse VE1 und VE2 korrespon­ dieren jeweils mit den Eingangsanschlüssen 4-6 und 4-7, und die Ausgangsanschlüsse VO1 und VO2 korrespondieren jeweils mit den Ausgangsanschlüssen 4-8 und 4-9.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Kraftmeßdose beschrieben.

Die Oberfläche des Trägerkörpers 2, der beispielsweise durch Ausschneiden aus einem Blech aus rostfreiem Stahl gewonnen wird, wird entfettet und gesäubert. Dann wird ein Polyimid-Überzug mit einer Viskosität von 1000 cP auf die gesäuberte Oberfläche des Trägerkörpers 2 geträufelt, und es wird der Trägerkörper 2 durch eine Dreheinrichtung bei einer Umdrehungszahl von 1000 Umdrehungen pro Minute gedreht, wodurch die Dicke des Polyimid-Überzugsfilms gleichmäßig ausgebildet wird. Anschließend wird der Trägerkörper 2 auf angenähert 350°C für die Dauer von einer Stunde erhitzt, um das Lösungsmittel des Polyimid-Überzugs zu verdampfen, das Polyimid-Harz wird ausgehärtet, und ein Polyimid-Harzfilm, der eine Dicke von ungefähr 4 µm hat, ist dann auf dem Trä­ gerkörper 2 ausgebildet. In einem Fall, in dem der Träger­ körper 2 aus Duraluminium hergestellt ist, wird die zuvor erläuterte Behandlung bei einer Temperatur von 200°C statt 350°C durchgeführt.

Dann wird eine Widerstandsschicht aus Nickel-Chrom (mit 60 Gewichtsprozenten Nickel und 40 Gewichtspro­ zenten Chrom) mit einer Dicke von 0.1 µm durch Kato­ denzerstäubung (Sputtern) auf diesem Polyimid-Harzfilm aus­ gebildet, und es wird eine Kupfer-Schicht, die eine Dicke von 2 µm hat, durch Katodenzerstäubung (Sputtern) auf der Widerstandsschicht ausgebildet. Des weiteren wird eine Gold-Schicht, die eine Dicke von 0.1 µm hat, auf der Kupfer-Schicht ausgebildet, auf welche Weise auf der Isolierschicht 4-1 aus Polyimidharz eine Folie aus der Widerstands­ schicht und den Kupfer- und Gold-Schichten, wie in Fig. 3 gezeigt, gebildet wird. Dann wird die Folie dieser Widerstandsschicht und den Kupfer- und Gold-Schichten mittels eines Fotoätzvorgangs selektiv ausgeätzt, um eine Folienanordnung eines vorbe­ stimmten Leiterbildes, wie in Fig. 4 gezeigt, zu bilden. Die Isolierschicht 4-1 aus Polyimidharz wird in einem Bereich außer dem Leiterbildbereich freigelegt. Der Reihe nach werden die Kupfer- und Gold-Schichten selektiv durch Ätzen entfernt, und es wer­ den ausgewählte Abschnitte der Widerstandsschicht aus Nickel-Chrom, wie in Fig. 5 durch schraffierte Bereiche gezeigt, freige­ legt, wodurch die Dehnungsmeßstreifenwiderstände 4-2 bis 4-5 gebildet werden. Die Dehnungsmeßstreifenwiderstände 4-2 bis 4-5 sind mit dem verbliebenen Leiterbild verbunden, um eine Brückenschaltung zu bilden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

In der Kraftmeßdose, die in Fig. 1 gezeigt ist, wird, wenn ein Gewicht in einen Wiegetrog (nicht gezeigt), der durch den Haltebügel gehalten wird, der dem Durchgangsloch 2-3 zugeordnet ist, gelegt wird, der Dehnungsmeßsignal-Erzeu­ gungsabschnitt des Trägerkörpers 2 verformt, und es wird eine Dehnungsspannung auf die Dehnungsmeßstreifenwiderstände 4-2 und 4-3 im Zusammenhang damit ausgeübt, während eine Druckkraft auf die Dehnungsmeßstreifenwiderstände 4-4 und 4-5 ausgeübt wird. Aufgrund dieser Tatsache ändern sich die Widerstandswerte dieser Dehnungsmeßwiderstände 4-2 bis 4-5, so daß sich das Verhältnis von

ändert. Daher verändert sich sogar dann, wenn die Eingangsspannung VE konstant ist, die Spannung VO zwi­ schen den Ausgangsanschlüssen VO1 und VO2. Als Ergebnis wird diese Ausgangsspannung VO aus der Kraftmeßdose als ein elek­ trisches Signal gewonnen, das mit dem Gewicht, das auf sie einwirkt, korrespondiert.

In diesem Ausführungsbeispiel, wie es insbesondere in Fig. 6 gezeigt ist, ist jedes Widerstandselement aus einer Nickel-Chrom- Schicht gebildet, die eine Dicke von 0.1 µm hat, und jede leitende Schicht ist durch eine Folie aus einer Nickel-Chrom- Schicht, die eine Dicke von 0.1 µm hat, einer Kupfer-Schicht mit einer Dicke von 2 µm und einer Gold-Schicht mit einer Dicke von 0.1 µm gebildet. Daher kann der Widerstand der Leiter­ bahnen 4-10 ausreichend kleiner als der Widerstand jedes der Widerstandselemente gemacht werden. Zusätzlich werden, da die obere Lage dieser Leiterbahnen 4-10 aus Gold ge­ bildet ist, da nämlich die obere Fläche der Kupfer-Lage durch die Gold-Lage bedeckt ist, die Oxidation und Korrosion dieser Kupfer-Lage auf einem Minimum gehalten. Außerdem sind, da die Leiter­ bahnen 4-10 in der Hauptsache aus der Kupfer-Lage gebildet sind, d. h. da die Gold-Lage als die Schutzschicht dünn ausgebildet ist, die Herstellungskosten dieser Leiter­ bahnen 4-10 nicht sehr hoch.

In dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Leiter­ bahnen aus Kupfer gebildet, jedoch können diese Leiter­ bahnen aus einem anderen leitenden Metall, z. B. Aluminium, Chrom, einer Kupfer-Legierung, einer Aluminium-Legierung usw. gebildet sein. Des weiteren kann, obwohl die Gold-Lage als Schutzschicht verwendet wird, diese Schutzschicht aus einem chemisch stabileren Metall als die Leiter­ bahnen gebildet werden, beispielsweise aus Platin, Nickel, Nickel-Chrom, einer Platin-Legierung oder Goldle­ gierung. In dem Fall, in dem die Schutzschicht aus Nickel-Chrom gebildet ist, wird die Nickel-Chrom-Lage an den Anschlüssen 4-6 bis 4-9 entfernt, um die Leiterbahnen freizulegen, und es können Verbindungsdrähte an diese freigelegte Schutzschicht gelötet werden.

Claims (5)

1. Dehnungssensor
mit einem Trägerkörper (2) mit einer auf dem Trä­ gerkörper ausgebildeten Isolierschicht (4-1), wobei der Trägerkörper einen Abschnitt zur Erzeugung eines Dehnungsmeßsignals aufweist,
mit einer Mehrzahl von auf der Isolierschicht (4-1)aus­ gebildeten Dehnungsmeßstreifenwiderständen (4-2 bis 4-5) sowie
mit einem Muster aus Leiterbahnen (4-10), die die Deh­ nungsmeßstreifenwiderstände (4-2 bis 4-5) zu einer elek­ trischen Brückenschaltung verbinden,
wobei die Leiterbahnen (4-10) eine erste und eine zweite Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff umfas­ sen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Schicht eine solche Dicke hat, daß der Wi­ derstand der Leiterbahnen im wesentlichen von ihr bestimmt wird, und
daß die zweite Schicht

• - eine die Schicht gegen Korrosion oder Oxidation schützende Schicht ist,
• - dünner ist als die erste Schicht und
• - aus einem Metall besteht, das chemisch stabiler ist als der Werkstoff der ersten Schicht.

2. Dehnungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Schicht aus einem Metall gebildet ist, das Gold, Platin, Chrom, Nickel-Chrom oder eine Legierung davon ist.

3. Dehnungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Schicht aus einem Metall gebildet ist, das Kupfer, Aluminium, Nickel oder eine Legierung davon ist.

4. Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Schicht auf einer widerstandsbehafteten Schicht befindet, die integral mit den Dehnungsmeßstreifenwiderständen (4-2 bis 4-5) aus­ gebildet ist.

5. Dehnungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (4-1) aus Polyimidharz gebildet ist.