用于以电方式测量力的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于以电方式测量力F的装置，其至少在两个压紧的金属电极(1)和金属电极(3)之间作用，其特征在于，金属电极由硬质合金、钢或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的低欧姆金属层构成，具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻和小于等于400纳米的平均粗糙度R

A method and device used to measure force by electrical means by means of an insulated thin layer.

The invention relates to a device for electric measurement of F, the metal electrode two pressing at least (1) and (3) between the metal electrode, which is characterized in that the metal electrode is made of hard alloy steel or low ohmic metal layer on the ceramic body, vitreous body or the plastic body. With the average roughness Ra of resistance in the range of a few milliohm and less than or equal to ten ohms within and less than or equal to 400 nm, the metal electrode has conduction ability is not dependent on the force in the contact surface, and in equal or smaller than the metal electrode (1) and metal electrode (3) 1000 in the range of 0.1 the minimum relative deformation, force directly to the shape of lock arranged on the metal electrode (1) and metal electrode (3) between the insulating thin layer (2) or multi layer insulation layer, insulating layer (2) or multi layer insulation thin layer by Zinc Oxide or with Alumina Al2Ox reduction machine, x = 2.4 to x = 2.8 or DLC, silicon carbide or diamond-like carbon layer [], and does not depend on the measured force flow arrangement and in the fastening element (5) reference fixed electrode retention under constant (4) through the structure with physical properties just the same insulation layer (2) or multi layer insulation thin layer (2) with electric effect to the metal electrode (3), so that the metal electrode (3) and metal electrode (4) insulation thin layer between in constant press the reference resistor under pressure is used to complete the temperature as for compensation, measuring facilities full or half bridge the current path in the series circuit of the power supply, high precision (6) current limit after metal electrode (1), after the insulation thin layer (2) to the metal electrode (3), after the insulation thin layer (2) to the metal electrode (4) Thus, through the insulating layer on the metal electrode (1) and metal electrode (3) between the decrease of voltage dependent force (8) and in reference (2) insulation thin metal electrodes (3) and metal electrode (4) between the reference voltage drop (9), they do not depend on the voltage ratio the temperature measuring bridge the bridge voltage or directly measured voltage ratio does not depend on the operating temperature to the measuring device of electric power to limit the function to force continuous and high resolution and can accurately describe and repeat.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于借助绝缘薄层以电方式进行力测量的方法和装置
本专利技术涉及用于以电方式测量建立在至少两个金属电极之间的力的方法和按照权利要求1的前序部分的装置，其中，至少一个绝缘薄层用作传感器元件，它的传导能力描述了作用的力的单义的(eindeutig)能准确反馈的函数。本专利技术普遍性地涉及测力
，其中，根据本专利技术相对现有技术达到新型的应用多样性，其方法是，提供了力传感器的没有变形体的经简化的结构。在此，至少一个或多个均匀的绝缘薄层在机械的力传递元件的平坦面或自由成形面上的施装作为新型的设计特征，从而在电绝缘的力传递元件和金属电极之间能实现传感器结构，其直接且在这些元件没有值得注意的变形的情况下在给定的电流下产生形式为与力有关的电压变化的电信号，该电信号描述了用于在直接的机械和电的路径上作用的力的一对一的(eineindeutig)高分辨率的且连续的图。视所选择的绝缘薄层而定地，以及以微型化的结构形式，也就是说在低于用于在毫牛顿范围内力测量的一立方毫米的结构空间内以及此外在牛顿至兆牛顿范围内以任意大的宏观结构形式一次性通过这种工艺能提供具有高耐热性的传感器，其中，视测量任务而定地，具有所施装的绝缘薄层的机械的力传递元件的任意的几何造型实现了在结构空间、力作用方向和机械转化比方面的自由选择。例如通过自由选择内截锥体和外截锥体(在其外锥周侧面上施装有绝缘薄层)的锥体斜度，能自由地在设计上选择待达到的测量敏感度，其中，视几何造型而定地使拉力传感器或压力传感器变得可能。在力传感器的机械的和电的设计中的另一自由度是施装在力传递元件上的绝缘薄层或层系统的原料选择、结构和化学成分，其中，绝缘薄层的耐热性、测量敏感度视测量任务的要求而定地能自由选择。多个力传感器的微型化的以及更大的组合借助绝缘薄层在组合式传感器单元的实施方案中的设计也是可行的，以便例如无相互作用地在空间内检测在3个空间维度，即宽度(x分量)、高度(y分量)、深度(z分量)方面的力作用和力方向。
技术介绍
通常由现有技术和已经在1920年公知的第一批公开文本充分公知了压阻效应。压阻效应描述了材料由于高的外部的力作用或压力作用导致的电阻变化。在所有轻微导电直至强烈导电的材料中都出现了这一效应，但半导体的压力敏感度相对于金属却高了很多倍。原则上确定的是，与由于外部的力作用导致的电阻变化相关的该压力敏感度可以得到提高，其方法是，在半导体中，单晶体的定向(这意味着电流方向)以及在载体材料中掺杂以杂质原子被有针对性地调整。例如非结晶的碳层的压阻效应也可观察到，其具有类似金刚石的格栅结构，如其在专利文献DE000019954164B4中描述的那样，其中可以确定的是，压阻效应的强度不仅在非结晶的碳层中可以通过有针对性的化学成分和格栅结构的造型影响，而且同样在其他的薄层或多分层式层系统，所谓的复合式层中(其例如可以是铝-钛-亚硝酸盐、铝-铬-亚硝酸盐、锆-氧化物-亚硝酸盐或铝-铬-亚硝酸盐-氧化物和许多其他的物质组合)，通过杂质原子或分子结构作为颗粒在纳米复合物载体层中的引入实现了压阻效应的高度加强。也就是说，电阻变化相对从外部机械作用的力或压力的大小的敏感度得到极为强烈的提高，这是因为根据材料组合和在半导体中引入的干扰部位，与压力相关地释放形式为离子和/或电子的附加的载流子。这种效应业已从1920年起就公知，但用于使用和制造层系统的技术进步和进一步研发带来了新型的材料组合和层系统，它们一方面能施装到不同的材料，如金属表面、陶瓷表面、玻璃表面或塑料表面上以及另一方面具有在电特性方面极为接近半导体的材料成分。但这些压阻层具有电阻的极为强烈的与温度相关的漂移，电阻作为相对的与温度相关的电阻变化在温度每提高一开尔文时处在-0.4％至约-1.2％的范围内，如同样在现有技术中描述的那样。这样的层和结构例如允许了在平坦的载体材料，例如玻璃上的离散的电子构件和电路的造型，如其在制造现代的纯平屏幕时所使用的那样。视载体和所施装的层系统的选择而定地，这种经覆层的表面的特征同样在于硬质合金之上的极高的机械强度，超过2千兆帕的抗压强度和在-100℃直至1200℃的范围内的耐热性。附图说明图1示出绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有用于温度补偿的参考绝缘薄层作为电的测量半桥。图2示出绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有用于温度补偿的参考薄层作为电阻测量。图3示出绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有在双重地实施为高度敏感的测量全桥时用于温度补偿的参考绝缘薄层。图4示出用于同时检测两个力方向F_x和F_y的绝缘薄层测力单元的剖面图，其具有用于温度补偿的参考绝缘薄层作为电的多通道的电阻测量。图5示出N维的绝缘薄层力传感器的结构和测量电路，绝缘薄层力传感器具有n倍的测量电路和多通道的用于温度补偿的参考绝缘薄层；上方是2D绝缘层传感器分段的剖面图；下方是作为实施例的旋转的分段布置，其由n＝4x2D传感器块和4x2＝8条测量通道构成，以便与分量有关地测量力方向和其数值。说明：E1-1和E1-2：电极对Fy+Fx转动角0°；E2-1和E2-2：电极对Fy+Fx转动角45°；E3-1和E3-2：电极对Fy+Fx转动角90°；E4-1和E4-2：电极对Fy+Fx转动角135°。图6示出由01型的未经覆层的硬质合金电极和经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力-电阻特性曲线。图7示出由03型的未经覆层的硬质合金电极和经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力-电阻特性曲线。图8示出由01型的未经覆层的硬质合金电极和经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力-电阻特性曲线。图9示出由两个未经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线，也就是说，在接触面之间的电阻处在+/-1mOhm的低毫欧姆范围内。图10示出由两个未经覆层的硬质合金电极构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线，也就是说，在接触面之间的阻力处在+/-1mOhm的低毫欧姆范围内。图11示出由两个不同粗糙度的经覆层的硬质合金电极(在未抛光的SiC_03上的经抛光的SiC_05)构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线。图12示出由两个不同粗糙度的经覆层的硬质合金电极(在未抛光的SiC_03上的经抛光的SiC_05)构成的绝缘薄层测量单元的力电阻特性曲线。具体实施方式根据本专利技术解决力的测量，如这作为实施例在图1中、A5页上，在图2中、A6页上以及在图3中、A7页上所示的那样，其方式是，在实施为彼此电绝缘的电极的至少两个机械的力传递元件(1和3)之间施装绝缘薄层(2)，该绝缘薄层的电阻是作用的力F的能单义反馈的函数，并且此外，参考金属电极(4)结构接近地布置在力流外部，该参考金属电极的支架在恒定的保持力下使电极(4)相对源电极(3)固定。因此可以构建测量半桥或测量全桥，其完全补偿测量设施的温度相关性，因此所产生的桥电压与环境温度无关地描述了在电极(1和3)之间的力作用的能单义反馈的函数。为此，至少两个电极(1和3)或共同的源电极(E_q或3)和它们的相邻的传感器电极(E_n)与电源(6)电连接，从而受调节的电源(6)的给定的且已知的电流I_q，其借助电流测量仪(7)作为电流I测量，从而通过绝缘薄层在多维的传感器中导致了电压降U或U_n，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于以电方式测量力F的装置，所述装置至少在两个压紧的金属电极1和金属电极3之间作用，其特征在于，所述金属电极由硬质合金、钢或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的低欧姆金属层构成，具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻和小于等于400纳米的平均粗糙度Ra，所述金属电极在接触面处具有不依赖于力的传导能力，并且在等于、小于所述金属电极1和所述金属电极3的千分之0.1的范围内的最小相对变形的情况下，力直接作用到形状锁合地布置在金属电极1和金属电极3之间的绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2上，所述绝缘薄层或所述多分层绝缘薄层由氧化锌或随机还原的氧化铝Al2Ox，其中x＝2.4至x＝2.8，或碳化硅或DLC层[类金刚石碳]构成，并且不依赖于待测量的力流地布置且在紧固元件5的恒定的保持力下固定的参考金属电极4通过具有正好相同的物理特性的结构相同的绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2以电方式作用到所述金属电极3上，从而使得金属电极3和金属电极4之间的绝缘薄层在恒定的按压力下的这个参考电阻被用于对作为半桥或全桥的测量设施的完全的温度补偿，其中，在串联电路中的电流通路上，高精度的电源6的限定的电流经过所述金属电极1、经过所述绝缘薄层2流向金属电极3，经由所述绝缘薄层2流向金属电极4，从而经由所述绝缘薄层在所述金属电极1和所述金属电极3之间下降了依赖于力的电压8并且在参考的绝缘薄层2的金属电极3和金属电极4之间下降了参考电压9，它们的电压比不依赖于温度，其中，测量桥的产生的桥电压或直接测得的电压比不依赖于所述用于以电方式测量力的装置的运行温度地限定了针对作用力的连续的、高分辨率的并且能准确描述且能重复的函数，其中，补偿温度的电压比或测得的桥电压直接通过电连接输送给信号准备和评估单元，从而实现了根据本专利技术的测力装置的电去耦且机械稳固的构造，其中，金属电极1、2和3的几何形状能自由选择为平坦面或自由成形面的形式。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.14 DE 102015111425.91.用于以电方式测量力F的装置，所述装置至少在两个压紧的金属电极1和金属电极3之间作用，其特征在于，所述金属电极由硬质合金、钢或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的低欧姆金属层构成，具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻和小于等于400纳米的平均粗糙度Ra，所述金属电极在接触面处具有不依赖于力的传导能力，并且在等于、小于所述金属电极1和所述金属电极3的千分之0.1的范围内的最小相对变形的情况下，力直接作用到形状锁合地布置在金属电极1和金属电极3之间的绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2上，所述绝缘薄层或所述多分层绝缘薄层由氧化锌或随机还原的氧化铝Al2Ox，其中x＝2.4至x＝2.8，或碳化硅或DLC层[类金刚石碳]构成，并且不依赖于待测量的力流地布置且在紧固元件5的恒定的保持力下固定的参考金属电极4通过具有正好相同的物理特性的结构相同的绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2以电方式作用到所述金属电极3上，从而使得金属电极3和金属电极4之间的绝缘薄层在恒定的按压力下的这个参考电阻被用于对作为半桥或全桥的测量设施的完全的温度补偿，其中，在串联电路中的电流通路上，高精度的电源6的限定的电流经过所述金属电极1、经过所述绝缘薄层2流向金属电极3，经由所述绝缘薄层2流向金属电极4，从而经由所述绝缘薄层在所述金属电极1和所述金属电极3之间下降了依赖于力的电压8并且在参考的绝缘薄层2的金属电极3和金属电极4之间下降了参考电压9，它们的电压比不依赖于温度，其中，测量桥的产生的桥电压或直接测得的电压比不依赖于所述用于以电方式测量力的装置的运行温度地限定了针对作用力的连续的、高分辨率的并且能准确描述且能重复的函数，其中，补偿温度的电压比或测得的桥电压直接通过电连接输送给信号准备和评估单元，从而实现了根据本发明的测力装置的电去耦且机械稳固的构造，其中，金属电极1、2和3的几何形状能自由选择为平坦面或自由成形面的形式。2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，在至少两个金属电极的接触面制造为平均表面粗糙度Ra小于等于400纳米的情况下，在整个接触面上实现了小于4微米的范围内的形状锁合，由此在至少两个或更多个由硬质合金或极坚固的钢、或金属粉末注射成型件、或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的具有几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻的低欧姆金属层构成的金属电极1、金属电极3和金属电极4的没有绝缘薄层的接触面之间的电阻不依赖于使这些金属体压紧的作用力地恒定保持在±3毫欧姆的公差带内，并且根据所使用的金属和所述接触面的面积在20毫欧姆至最大160毫欧姆的范围内形成，由此提供了测量技术上的前提条件，即，仅所述绝缘薄层2表现出依赖于力的电阻变化。3.按照权利要求1至2中任一项或多项所述的装置，其特征在于，所述绝缘薄层2施装在硬质合金电极、钢电极或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻的金属层电极上，从而金属电极1、金属电极3和金属电极4的电极基体与所述绝缘薄层2相比至少具有相同或更大的强度，由此避免了由于压入或剥落而使所述绝缘薄层相对载体材料发生形变和受损，并且测量设施不会由于力作用而变形或由于力作用而极小变形地，也就是说在小于千分之0.1的相对变形的情况下，从而使得整个测力系统在没有由于机械的金属电极1、金属电极3和金属电极4的变形导致的路径变化的情况下工作，并且因此将作用到所述绝缘薄层上的力转化成直接的电阻变化，所述电阻变化是力的单义的、高分辨率的且连续的函数。4.按照权利要求1至3中任一项或多项所述的装置，其特征在于，作为金属电极1、金属电极3和金属电极4的、用于在外部力作用部位与测力装置的绝缘薄层2和布置在金属电极3和金属电极4之间的参考绝缘薄层2之间进一步传力的机械的传递元件由高强度的钢或硬质合金、金属粉末注射成型件、具有专门的高强度的层或层系统的施装部的陶瓷或玻璃原料制成，所述层或层系统由碳化硅、DLC[类金刚石碳]、氧化锌或随机还原的氧比例x大于等于2.4至2.8的氧化铝Al2Ox构成，由此实现了由金属电极1、金属电极3和金属电极4和绝缘薄层2构成的测量单元的元件的极高的机械和化学的稳固性、形状稳定性和无磨损性，并且这个测量单元在测量装置附近小于等于200毫米的空间间距内承受住所述绝缘薄层2的热负荷和与电子测量评估电路的部件(6、7至17)的电接触，从而使得测量设施在低于-80℃至+300℃的温度范围内运行，其中，远多于十万个开关周期也不会导致所述绝缘薄层2或多分层绝缘薄层2的单义的力电阻函数的变化。5.按照权利要求1至4中任一项或多项所述的装置，其特征在于，由金属电极1、金属电极3和金属电极4和至少一个绝缘薄层2构成的测力单元通过使用在绝缘薄层2和电子评估单元的部件(6、7至17)之间的耐热的电连接实现为在-80℃至+1100℃，在个别情况下至+1200℃的温度范围内的高温应用，其中，连接系统的接触面以及金属导体和绝缘体在大于20毫米至5米的线路长度下通过有针对性地选择绝缘薄层系统2[SiC、Al2Ox、ZnO]而耐热至1200℃。6.按照权利要求1至5中任一项或多项所述的装置，所述装置构造为微型化且紧凑的结构形式，用于以电方式测量在毫牛顿至兆牛顿范围内的力F，其特征在于，通过金属电极1、金属电极3和金属电极4的机械结构实现了测力系统的极稳固且能承受动态负荷的构造，其中，金属电极接触面1和金属电极接触面4的平均粗糙度Ra与金属电极3的小于等于200纳米的平均粗糙度Ra相比以比例30:1至2:1地更粗糙，由此有针对性地视应用而定地通过如下方式确定测量单元的连续的力电阻特性曲线的上升，即，电极的粗糙度比1:1与更高的比例X:1，其中X＝1.5至30.0，相比，产生了力电阻特性曲线的明显更小的上升，所述更高的比例导致力电阻特性曲线的明显更陡的上升，并且此外，金属电极接触面设计为成形件，其中，使用具有限定的表面粗糙度的平坦面或自由成形面，所述限定的表面粗糙度提高了高强度的覆层在力传递面上的附着强度，由此实现了所述绝缘薄层2或所述多分层绝缘薄层2的强度以及具有至2千兆帕的硬质合金或至1.2千兆帕的极坚固的钢的压力承载能力的金属电极1、金属电极3和金属电极4的基体，并且此外所述装置的特征在于，通过在原料选择和以可供使用的覆层技术实现的原料处理方面选择出所述绝缘薄层2的制造法来确定依赖于力的绝缘特性的在毫欧姆、欧姆至数十万欧姆范围内的特定的电阻特征值或工作范围，它们在具有针对毫牛顿范围的几立方毫米的结构空间的小型结构形式中、在牛顿至千牛顿范围内的最多一百立方厘米的范围内的中等结构大小中以及在兆牛顿范围内的小于一立方米的大型结构形式下工作。7.按照权利要求1至6中任一项或多项所述的装置，其特征在于，测量装置的元件(1、2、3至17)通过多个绝缘薄层2或也称为复合式层的多分层绝缘薄层2的组合以电方式作为测量半桥或测量全桥运行，从而通过电互连有针对性地多倍地提高了测量敏感度，并且分别通过针对每个测力单元的一个或多个参考金属电极4完全补偿由温度导致的电阻偏差，并且此外由金属电极1和金属电极3、绝缘薄层2和参考金属电极4构成的测量单元组合沿待测量的力作用的方向的空间布置以及第二测量单元组合的元件(1、2、3和4)沿例如作为系统内的重叠的机械振动导致的干扰性的力分量的方向的第二空间布置能实现测量半桥或测量全桥作为电差分电路的运行，从而有针对性地通过寄生的机械振动减小或完全补偿干扰信号。8.按照权利要求1至7中任一项或多项所述的装置，其特征在于，测量装置通过多个绝缘薄层(2.1对应于通道壹以及2.2对应于通道贰)或也称为复合式层的多分层绝缘薄层(2.1、2.2至2.n)的组合以电方式作为多条测量通道的多组式电路由一个或多个测量半桥或测量全桥来运行，所述多组式电路的空间布置或几何布置被设计成使得待测量的力能作为矢量参量准确地在数值和方向上针对每个配属的测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：简·克莱姆，
申请(专利权)人：简·克莱姆，
类型：发明
国别省市：德国,DE