专利名称：具有应变元件的精密力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有弹性元件的精密力传感器，所述弹性元件的 由负载决定的偏移通过应变元件转换成电信号。
背景技术：
这种类型的精密力传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传感器的精度，那么首先蠕变和迟滞就是大 问题。用于改良的添加物在这里可以采用蠕变程度较低的、经过特殊 热处理的钢材类型(例如所谓的马氏体时效钢)。具有纳米结构和阻 止掺入的奥氏体钢也已经被提出(DE 198 13 459 A1)。另外一种解决 问题的添加物，是使用铝合金，其中这种材料的蠕变通过普通应变带 的相对蠕变来抵消。普通应变带的蠕变由构成应变带的基层的聚合物 薄膜和在应变带与弹性元件之间所使用的粘结剂引发。然而，由于这 两种蠕变效应不同地依赖于温度，这种抵消最多在一个很小的温度范 围内实现。但是所有这些已知的解决方案仅允许精密力传感器的大约 50000步(Schritt)的有意义的分辨率。如果要把该精密力传感器用于 能校准的秤，则只能实现大约3 x 3000个能校准的步。
另一个在普通应变带出现的误差效应是，粘合剂层和载体膜的湿 度敏感度。由于出现的力分流(Kraftnebenschluss)，高分辨率的精密 力传感器为抵抗潮湿的影响仅能够进行有限地封装，由此在制造精密 力传感器时传统的应变带的湿度敏感度同时也构成了限制分辨率的因素。
发明内容
本发明的任务因此在于，提供一种开头部分提到的类型的精密力 传感器，其允许明显更高的精度。
根据本发明的这种精密力传感器将如此实现，即所述弹性元件由
具有在36%和60%之间的镍含量的和在15%和25%之间的铬含量的、可 沉淀硬化的镍基合金制成，以及所述应变元件由不含聚合物的层系统 构成。
把可沉淀硬化的镍基合金用作弹性元件是公知的。例如在DE 103 50 085 Al中描述了一种用于制动装置的力传感器，其中可沉淀硬化的 钢材(优选17-4 PH型或者Inconel 718型)被用作弹性元件的材料，并 且其中由硅制成的半导体应变元件被用作应变元件，所述半导体应变 元件借助硼酸铅玻璃焊料与所述弹性元件连接。然而半导体应变元件 具有很高的温度系数，因此借助该力传感器在较大的温度范围内无法 实现高的精确性。此外通过玻璃焊料力的耦合导致在硅芯片里的很大 的内部应力，因为所述弹性材料与硅相比具有明显不同的热膨胀系数。 因为玻璃材料在力影响下易于流动，所以在含有玻璃材料的力传递系 统中预计有很大的蠕变效应，所述蠕变效应使得精密力传感器的制造 不可能。
首先通过可沉淀硬化的镍基合金与作为应变元件的、不含聚合物 的层系统的组合能够实现精密力传感器的精度的明显提升，所述镍基 合金具有很低的蠕变、在大温度范围内几乎恒定的弹性模量以及高的 强度。通过去除聚合物基层和粘合剂，这种层系统同时具有很小的蠕 变并且对湿度不敏感。由此能够实现超过200000步的有意义的分辨率。 在此，这类材料的难以加工性也将耗费成本。
优选地，作为可沉淀硬化的镍基合金，使用具有在50%和55%之间 的镍含量的和在17%和21%之间的铬含量的合金。例如根据EN 10027-2材料编号2.4668的标准化的合金，属于这种合金种类。
不含聚合物的层系统优选通过薄层工艺(优选通过PVD或者CVD 工艺)被敷布到弹性元件上；PVD表示物理气相沉积，而CVD表示化 学气相沉积。该层系统优选地具有如下层顺序由Si02， A1203或者类 似的由绝缘材料构成的合成物制成的隔离层、由三元带镍和铬作为主 要组成部分的合金制成的拉伸敏感层、和最后可选地由Si02、 A1203 或者类似的由绝缘材料构成的合成物制成的保护层。在此，三元镍铬 合金可以通过第三合金组分的选择和通过合适的工艺流程这样调整， 使得获得整个的精密力传感器的尽可能小的温度系数。
为了在敷布应变元件时，(例如在溅射时)能够在一个工序中制 造尽可能多的弹性元件，原来的弹性元件适当地被设计得尽可能的小。 这种原来的弹性元件于是具备优点地用端块补充到末端，以获得精密 力传感器的良好的固定可能性，以及能够获得适合于各种应用场合的 力导入元件。原来的弹性元件与端块之间的连接能够例如通过焊接或 者粘结实现。在由塑料制成端块的情况下，也可以把这些端块直接注 塑到所述弹性元件上(所谓的嵌件成型)。
在具备优点的其他构造中所述弹性元件具有平行导向的形式。所 述精密力传感器于是对于波动的力导入点是不敏感的。在把精密力传 感器作为负荷传感器使用时，于是可以把秤盘直接固定在精密力传感 器的力导入区域或者固定在从属的端块上。
下面将结合实施例并连同附图来描述本发明。其中 图l在透视图中示出精密力传感器的概貌； 图2在截面图示出应变元件的层系统；以及 图3在侧视图中示出具有端块的精密力传感器。
具体实施例方式
图l所示的精密力传感器具有弹性元件l，所述弹性元件l具有壳体 固定的区域2、上导件3、下导件4和力导入区域5。弹性元件l的弹性区
域首先是薄壁6，而其他区域由于它们的几何形状大部分是刚性的。整 个弹性元件1通过内部的空腔7由单个料块加工而成。这里的材料优选 地是具有在50%和55%之间的镍含量的和在17%和21%之间的铬含量的
可沉淀硬化的镍基合金。由于该材料的难以加工性如此选取几何形状
以使得难以加工的材料的制造方法例如线切割成为可能。应变元件IO 位于薄壁6上，应变元件10的结构将由图2更精确说明。弹性元件l固定 在仅示意性地示出的壳体8上。在图1中用力矢量9，示出的待测力的导 入，通过应用场合特定的、同时也在图l中仅示意性地示出的力导入零 件9来实现。因为所示的弹性元件l具有平行导向的形式，所以在把精 密力传感器作为负荷传感器来使用时，可以把秤盘直接固定在力导入 零件9上(未示出)。
由图2示出所采用的、不含聚合物的应变元件10的细节应变元件 IO由薄层结构组成，所述薄层结构优选地借助PVD工艺或者CVD工艺 沉积。直接沉积到所述弹性元件上的隔离层11优选地由A1203、 Si02 或者Si2N3组成，所述隔离层ll借助等离子沉积少孔地沉积。在该沉积 中精确的组分变化，从而在制成的隔离层中经常不能存在精确的化学 计量组分。也可以以由若干种不同的层构成的组合来代替单一的隔离 层。在此目标是，在尽可能小的层厚度情况下获得在弹性元件和接着 的拉伸敏感层之间的可靠的隔离。对于拉伸敏感层12优选采用三元镍 铬合金，所述三元镍铬合金在溅射工艺的合适的工艺流程中，可以通 过对该三元镍铬合金的组分中第三种合金成分的合适的选择来加以改 性，使得该三元镍铬合金在所提出的弹性材料上可表现出的拉伸的温 度依赖度为零。作为附加的、无反作用的保护能够可选地沉积由上面 所述的隔离材料组成的另外的覆盖层13。因为不含聚合物的薄层结构 仅由实际中不吸水的材料组成，所以对于很多应用场合来说可以放弃 附加的覆盖层。
7图2中示出的所有的层都不是按比例绘制的应变元件10的各层具 有wm范围内的厚度，而薄壁6的厚度根据精密力传感器的负载范围处 于mm范围内。
图2中仅示出对于功能而言重要的层。对于例如触点所必须的结构 来说，每个本领域技术人员都可以轻易地补充。对于触点结构优选采 用由金和镍溅射的层系统。在此镍层还用作扩散阻隔，以保证对拉伸 敏感的三元镍铬层的长时间稳定性。通常传感器结构也由具有较大的 电阻抗的温度系数的材料来敷布。由此能够校准整个的精密力传感器 的可能存在的温度系数。
图3中示出精密力传感器，所述精密力传感器在弹性元件l的侧边 具有端块21和22。端块优选由易于加工的材料制成。由此能够实现简 单的固定可能性和复杂的形状。例如，端块21具有螺纹孔23，由此精 密力传感器能够被容易地拧紧在壳体部分25上(螺栓24)。端块21在 下部区域中设计得比弹性元件l略长一些，由此产生突出部26。由此， 所述精密力传感器能够很好地拧合在平整的壳体部分25上(例如平整 的底板上)并产生间隙27，所述间隙27限定了弹性元件1的最大偏移。 另一矩形端块22在其上部区域中具有带锥形末端29的圆杆28。由此可 以直接在那里放置普通的圆形秤盘(未示出)。弹性元件1和端块21及 22之间的连接有利地通过焊接完成。但也可以是粘结连接，因为这种 粘结因相对大的粘结面而具有小的单位载荷。这种粘结面可能的蠕变 当然是不严重的，因为由此不会对精密力传感器的精度产生影响，并 且仅很小地改变间隙27的宽度，并且由此很小地改变过载边界。以塑 料制成这些端块和将这些塑料直接注塑到弹性元件l上也是可能的。这 种方法以嵌件成型的名称而公知。当然，相对于端块22，为端块21选择 另一种材料和/或者另一种连接技术也是可能的。当然仅设置一个端块 21或22也是可能的。附图丰示i己歹!j表
1弹性元件
2壳体固定的区域
3上导件
4下导件
5力导入区域
6薄壁
7内部的空腔
8壳体
9力导入零件
9，力矢量
10应变元件
11隔离层
12拉伸敏感层
13覆盖层
21、22 端块
23螺纹孔
24螺栓
25壳体部分
26突出部
27间隙
28杆
29锥形末端
权利要求
1.具有弹性元件(1)的精密力传感器，所述弹性元件(1)的由负载决定的偏移通过应变元件(10)转换成电信号，其特征在于，所述弹性元件(1)由具有在36％和60％之间的镍含量的和在15％和25％之间的铬含量的可沉淀硬化的镍基合金制成，以及所述应变元件(10)由不含聚合物的层系统组成。
2. 根据权利要求l所述的精密力传感器，其特征在于，作为可沉 淀硬化的镍基合金，使用具有在50%和55%之间的镍含量的和在17% 和21%之间的铬含量的合金。
3. 根据权利要求2所述的精密力传感器，其特征在于，作为可沉 淀硬化的镍基合金，使用根据EN 10027-2的材料编号为2.4668的合金。
4. 根据权利要求l所述的精密力传感器，其特征在于，溅射用于 所述应变元件(10)的所述层系统。
5. 根据权利要求4所述的精密力传感器，其特征在于，溅射到所 述弹性元件上的用于所述应变元件(10)的所述层系统具有下述的层 顺序由Si02或者A1203制成的隔离层、由三元镍铬合金制成的拉伸 敏感层、由Si02或者A1203制成的覆盖层。
6. 根据权利要求4或5所述的精密力传感器，其特征在于，附加 地溅射至少一个强烈依赖于温度的层。
7. 根据权利要求l所述的精密力传感器，其特征在于所述弹性元 件(1)在至少一个末端上具有由其它材料制成的端块(21、 22)。
8. 根据权利要求7所述的精密力传感器，其特征在于， 一个或多个所述端块(21、 22)通过焊接与所述弹性元件(1)相连接。
9. 根据权利要求7所述的精密力传感器，其特征在于， 一个或多 个所述端块(21、 22)通过粘贴与所述弹性元件(1)相连接。
10. 根据权利要求7所述的精密力传感器，其特征在于， 一个或 多个所述端块(21、 22)由塑料制成，并被注塑到所述弹性元件(1) 上。
11. 根据权利要求1所述的精密力传感器，其特征在于，所述弹 性元件(1)具有平行导向的形式。
全文摘要
对于具有弹性元件(1)的精密力传感器，其由负载决定的偏移通过应变元件(10)转换成电信号，提出所述弹性元件(1)由具有在36％和60％之间的镍含量的和在15％和25％之间的铬含量的可沉淀硬化的镍基合金制成，并且所述应变元件(10)由不含聚合物的层系统组成。由此可以制造出具备高精度、低蠕变性和较低的湿度敏感度的精密力传感器。
文档编号G01L1/22GK101317078SQ200680044604
公开日2008年12月3日 申请日期2006年11月24日 优先权日2005年12月16日
发明者塔尼娅·米克, 沃尔克·雷林, 米歇尔·斯特普斯, 维尔纳·舒尔策, 黑尔加·科维克 申请人:赛多利斯股份有限公司