專利名稱：具有應(yīng)變元件的精密力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有彈性元件的精密力傳感器，所述彈性元件的 由負載決定的偏移通過應(yīng)變元件轉(zhuǎn)換成電信號。
背景技術(shù)：
這種類型的精密力傳感器是公知的并且例如在DE 195 11 353 CI 中有所描述。
如果希望提高精密力傳感器的精度，那么首先蠕變和遲滯就是大 問題。用于改良的添加物在這里可以采用蠕變程度較低的、經(jīng)過特殊 熱處理的鋼材類型(例如所謂的馬氏體時效鋼)。具有納米結(jié)構(gòu)和阻 止摻入的奧氏體鋼也已經(jīng)被提出(DE 198 13 459 A1)。另外一種解決 問題的添加物，是使用鋁合金，其中這種材料的蠕變通過普通應(yīng)變帶 的相對蠕變來抵消。普通應(yīng)變帶的蠕變由構(gòu)成應(yīng)變帶的基層的聚合物 薄膜和在應(yīng)變帶與彈性元件之間所使用的粘結(jié)劑引發(fā)。然而，由于這 兩種蠕變效應(yīng)不同地依賴于溫度，這種抵消最多在一個很小的溫度范 圍內(nèi)實現(xiàn)。但是所有這些已知的解決方案僅允許精密力傳感器的大約 50000步(Schritt)的有意義的分辨率。如果要把該精密力傳感器用于 能校準的秤，則只能實現(xiàn)大約3 x 3000個能校準的步。
另一個在普通應(yīng)變帶出現(xiàn)的誤差效應(yīng)是，粘合劑層和載體膜的濕 度敏感度。由于出現(xiàn)的力分流(Kraftnebenschluss)，高分辨率的精密 力傳感器為抵抗潮濕的影響僅能夠進行有限地封裝，由此在制造精密 力傳感器時傳統(tǒng)的應(yīng)變帶的濕度敏感度同時也構(gòu)成了限制分辨率的因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)因此在于，提供一種開頭部分提到的類型的精密力 傳感器，其允許明顯更高的精度。
根據(jù)本發(fā)明的這種精密力傳感器將如此實現(xiàn)，即所述彈性元件由
具有在36%和60%之間的鎳含量的和在15%和25%之間的鉻含量的、可 沉淀硬化的鎳基合金制成，以及所述應(yīng)變元件由不含聚合物的層系統(tǒng) 構(gòu)成。
把可沉淀硬化的鎳基合金用作彈性元件是公知的。例如在DE 103 50 085 Al中描述了一種用于制動裝置的力傳感器，其中可沉淀硬化的 鋼材(優(yōu)選17-4 PH型或者Inconel 718型)被用作彈性元件的材料，并 且其中由硅制成的半導(dǎo)體應(yīng)變元件被用作應(yīng)變元件，所述半導(dǎo)體應(yīng)變 元件借助硼酸鉛玻璃焊料與所述彈性元件連接。然而半導(dǎo)體應(yīng)變元件 具有很高的溫度系數(shù)，因此借助該力傳感器在較大的溫度范圍內(nèi)無法 實現(xiàn)高的精確性。此外通過玻璃焊料力的耦合導(dǎo)致在硅芯片里的很大 的內(nèi)部應(yīng)力，因為所述彈性材料與硅相比具有明顯不同的熱膨脹系數(shù)。 因為玻璃材料在力影響下易于流動，所以在含有玻璃材料的力傳遞系 統(tǒng)中預(yù)計有很大的蠕變效應(yīng)，所述蠕變效應(yīng)使得精密力傳感器的制造 不可能。
首先通過可沉淀硬化的鎳基合金與作為應(yīng)變元件的、不含聚合物 的層系統(tǒng)的組合能夠?qū)崿F(xiàn)精密力傳感器的精度的明顯提升，所述鎳基 合金具有很低的蠕變、在大溫度范圍內(nèi)幾乎恒定的彈性模量以及高的 強度。通過去除聚合物基層和粘合劑，這種層系統(tǒng)同時具有很小的蠕 變并且對濕度不敏感。由此能夠?qū)崿F(xiàn)超過200000步的有意義的分辨率。 在此，這類材料的難以加工性也將耗費成本。
優(yōu)選地，作為可沉淀硬化的鎳基合金，使用具有在50%和55%之間 的鎳含量的和在17%和21%之間的鉻含量的合金。例如根據(jù)EN 10027-2材料編號2.4668的標準化的合金，屬于這種合金種類。
不含聚合物的層系統(tǒng)優(yōu)選通過薄層工藝(優(yōu)選通過PVD或者CVD 工藝)被敷布到彈性元件上；PVD表示物理氣相沉積，而CVD表示化 學(xué)氣相沉積。該層系統(tǒng)優(yōu)選地具有如下層順序由Si02， A1203或者類 似的由絕緣材料構(gòu)成的合成物制成的隔離層、由三元帶鎳和鉻作為主 要組成部分的合金制成的拉伸敏感層、和最后可選地由Si02、 A1203 或者類似的由絕緣材料構(gòu)成的合成物制成的保護層。在此，三元鎳鉻 合金可以通過第三合金組分的選擇和通過合適的工藝流程這樣調(diào)整， 使得獲得整個的精密力傳感器的盡可能小的溫度系數(shù)。
為了在敷布應(yīng)變元件時，(例如在濺射時)能夠在一個工序中制 造盡可能多的彈性元件，原來的彈性元件適當(dāng)?shù)乇辉O(shè)計得盡可能的小。 這種原來的彈性元件于是具備優(yōu)點地用端塊補充到末端，以獲得精密 力傳感器的良好的固定可能性，以及能夠獲得適合于各種應(yīng)用場合的 力導(dǎo)入元件。原來的彈性元件與端塊之間的連接能夠例如通過焊接或 者粘結(jié)實現(xiàn)。在由塑料制成端塊的情況下，也可以把這些端塊直接注 塑到所述彈性元件上(所謂的嵌件成型)。
在具備優(yōu)點的其他構(gòu)造中所述彈性元件具有平行導(dǎo)向的形式。所 述精密力傳感器于是對于波動的力導(dǎo)入點是不敏感的。在把精密力傳 感器作為負荷傳感器使用時，于是可以把秤盤直接固定在精密力傳感 器的力導(dǎo)入?yún)^(qū)域或者固定在從屬的端塊上。


下面將結(jié)合實施例并連同附圖來描述本發(fā)明。其中 圖l在透視圖中示出精密力傳感器的概貌； 圖2在截面圖示出應(yīng)變元件的層系統(tǒng)；以及 圖3在側(cè)視圖中示出具有端塊的精密力傳感器。
具體實施例方式
圖l所示的精密力傳感器具有彈性元件l，所述彈性元件l具有殼體 固定的區(qū)域2、上導(dǎo)件3、下導(dǎo)件4和力導(dǎo)入?yún)^(qū)域5。彈性元件l的彈性區(qū)
域首先是薄壁6，而其他區(qū)域由于它們的幾何形狀大部分是剛性的。整 個彈性元件1通過內(nèi)部的空腔7由單個料塊加工而成。這里的材料優(yōu)選 地是具有在50%和55%之間的鎳含量的和在17%和21%之間的鉻含量的
可沉淀硬化的鎳基合金。由于該材料的難以加工性如此選取幾何形狀
以使得難以加工的材料的制造方法例如線切割成為可能。應(yīng)變元件IO 位于薄壁6上，應(yīng)變元件10的結(jié)構(gòu)將由圖2更精確說明。彈性元件l固定 在僅示意性地示出的殼體8上。在圖1中用力矢量9，示出的待測力的導(dǎo) 入，通過應(yīng)用場合特定的、同時也在圖l中僅示意性地示出的力導(dǎo)入零 件9來實現(xiàn)。因為所示的彈性元件l具有平行導(dǎo)向的形式，所以在把精 密力傳感器作為負荷傳感器來使用時，可以把秤盤直接固定在力導(dǎo)入 零件9上(未示出)。
由圖2示出所采用的、不含聚合物的應(yīng)變元件10的細節(jié)應(yīng)變元件 IO由薄層結(jié)構(gòu)組成，所述薄層結(jié)構(gòu)優(yōu)選地借助PVD工藝或者CVD工藝 沉積。直接沉積到所述彈性元件上的隔離層11優(yōu)選地由A1203、 Si02 或者Si2N3組成，所述隔離層ll借助等離子沉積少孔地沉積。在該沉積 中精確的組分變化，從而在制成的隔離層中經(jīng)常不能存在精確的化學(xué) 計量組分。也可以以由若干種不同的層構(gòu)成的組合來代替單一的隔離 層。在此目標是，在盡可能小的層厚度情況下獲得在彈性元件和接著 的拉伸敏感層之間的可靠的隔離。對于拉伸敏感層12優(yōu)選采用三元鎳 鉻合金，所述三元鎳鉻合金在濺射工藝的合適的工藝流程中，可以通 過對該三元鎳鉻合金的組分中第三種合金成分的合適的選擇來加以改 性，使得該三元鎳鉻合金在所提出的彈性材料上可表現(xiàn)出的拉伸的溫 度依賴度為零。作為附加的、無反作用的保護能夠可選地沉積由上面 所述的隔離材料組成的另外的覆蓋層13。因為不含聚合物的薄層結(jié)構(gòu) 僅由實際中不吸水的材料組成，所以對于很多應(yīng)用場合來說可以放棄 附加的覆蓋層。
7圖2中示出的所有的層都不是按比例繪制的應(yīng)變元件10的各層具 有wm范圍內(nèi)的厚度，而薄壁6的厚度根據(jù)精密力傳感器的負載范圍處 于mm范圍內(nèi)。
圖2中僅示出對于功能而言重要的層。對于例如觸點所必須的結(jié)構(gòu) 來說，每個本領(lǐng)域技術(shù)人員都可以輕易地補充。對于觸點結(jié)構(gòu)優(yōu)選采 用由金和鎳濺射的層系統(tǒng)。在此鎳層還用作擴散阻隔，以保證對拉伸 敏感的三元鎳鉻層的長時間穩(wěn)定性。通常傳感器結(jié)構(gòu)也由具有較大的 電阻抗的溫度系數(shù)的材料來敷布。由此能夠校準整個的精密力傳感器 的可能存在的溫度系數(shù)。
圖3中示出精密力傳感器，所述精密力傳感器在彈性元件l的側(cè)邊 具有端塊21和22。端塊優(yōu)選由易于加工的材料制成。由此能夠?qū)崿F(xiàn)簡 單的固定可能性和復(fù)雜的形狀。例如，端塊21具有螺紋孔23，由此精 密力傳感器能夠被容易地擰緊在殼體部分25上(螺栓24)。端塊21在 下部區(qū)域中設(shè)計得比彈性元件l略長一些，由此產(chǎn)生突出部26。由此， 所述精密力傳感器能夠很好地擰合在平整的殼體部分25上(例如平整 的底板上)并產(chǎn)生間隙27，所述間隙27限定了彈性元件1的最大偏移。 另一矩形端塊22在其上部區(qū)域中具有帶錐形末端29的圓桿28。由此可 以直接在那里放置普通的圓形秤盤(未示出)。彈性元件1和端塊21及 22之間的連接有利地通過焊接完成。但也可以是粘結(jié)連接，因為這種 粘結(jié)因相對大的粘結(jié)面而具有小的單位載荷。這種粘結(jié)面可能的蠕變 當(dāng)然是不嚴重的，因為由此不會對精密力傳感器的精度產(chǎn)生影響，并 且僅很小地改變間隙27的寬度，并且由此很小地改變過載邊界。以塑 料制成這些端塊和將這些塑料直接注塑到彈性元件l上也是可能的。這 種方法以嵌件成型的名稱而公知。當(dāng)然，相對于端塊22，為端塊21選擇 另一種材料和/或者另一種連接技術(shù)也是可能的。當(dāng)然僅設(shè)置一個端塊 21或22也是可能的。附圖豐示i己歹!j表
1彈性元件
2殼體固定的區(qū)域
3上導(dǎo)件
4下導(dǎo)件
5力導(dǎo)入?yún)^(qū)域
6薄壁
7內(nèi)部的空腔
8殼體
9力導(dǎo)入零件
9，力矢量
10應(yīng)變元件
11隔離層
12拉伸敏感層
13覆蓋層
21、22 端塊
23螺紋孔
24螺栓
25殼體部分
26突出部
27間隙
28桿
29錐形末端
權(quán)利要求
1.具有彈性元件(1)的精密力傳感器，所述彈性元件(1)的由負載決定的偏移通過應(yīng)變元件(10)轉(zhuǎn)換成電信號，其特征在于，所述彈性元件(1)由具有在36％和60％之間的鎳含量的和在15％和25％之間的鉻含量的可沉淀硬化的鎳基合金制成，以及所述應(yīng)變元件(10)由不含聚合物的層系統(tǒng)組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精密力傳感器，其特征在于，作為可沉 淀硬化的鎳基合金，使用具有在50%和55%之間的鎳含量的和在17% 和21%之間的鉻含量的合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的精密力傳感器，其特征在于，作為可沉 淀硬化的鎳基合金，使用根據(jù)EN 10027-2的材料編號為2.4668的合金。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精密力傳感器，其特征在于，濺射用于 所述應(yīng)變元件(10)的所述層系統(tǒng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的精密力傳感器，其特征在于，濺射到所 述彈性元件上的用于所述應(yīng)變元件(10)的所述層系統(tǒng)具有下述的層 順序由Si02或者A1203制成的隔離層、由三元鎳鉻合金制成的拉伸 敏感層、由Si02或者A1203制成的覆蓋層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的精密力傳感器，其特征在于，附加 地濺射至少一個強烈依賴于溫度的層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精密力傳感器，其特征在于所述彈性元 件(1)在至少一個末端上具有由其它材料制成的端塊(21、 22)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的精密力傳感器，其特征在于， 一個或多個所述端塊(21、 22)通過焊接與所述彈性元件(1)相連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的精密力傳感器，其特征在于， 一個或多 個所述端塊(21、 22)通過粘貼與所述彈性元件(1)相連接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的精密力傳感器，其特征在于， 一個或 多個所述端塊(21、 22)由塑料制成，并被注塑到所述彈性元件(1) 上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密力傳感器，其特征在于，所述彈 性元件(1)具有平行導(dǎo)向的形式。
全文摘要
對于具有彈性元件(1)的精密力傳感器，其由負載決定的偏移通過應(yīng)變元件(10)轉(zhuǎn)換成電信號，提出所述彈性元件(1)由具有在36％和60％之間的鎳含量的和在15％和25％之間的鉻含量的可沉淀硬化的鎳基合金制成，并且所述應(yīng)變元件(10)由不含聚合物的層系統(tǒng)組成。由此可以制造出具備高精度、低蠕變性和較低的濕度敏感度的精密力傳感器。
文檔編號G01L1/22GK101317078SQ200680044604
公開日2008年12月3日 申請日期2006年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者塔尼婭·米克, 沃爾克·雷林, 米歇爾·斯特普斯, 維爾納·舒爾策, 黑爾加·科維克 申請人:賽多利斯股份有限公司