应变片及其应用的制作方法

专利名称：应变片及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应变片，这种应变片由半导体材料制成，它可以用机械方法粘贴到一个承受变形的敏感元件上。
本发明还涉及所述应变片的应用，特别是用于电应变式敏感元件，测量仪器和有关的标定方法，压力秤和传感器。
一个公知的事实是，应变片广泛地用于测量动态变形，以及在一个特定的支承体中，间接地测量引起所述变形的力，例如重力、压力和其它力。
为此目的，它们电连接组成一个惠斯通电桥，以便限制在应变片中的温度变化带来的影响。
在惠斯通电桥相对两端施加一个基准电压来激励该电桥；变形导致应变片长度变化，并引起相关的电阻值相应的变化。在电桥的另一相对端检测到信号，该信号是基本上对应于已经产生的变形的电压。
该信号代表导致敏感元件变形的力。
但是，已知的应变片存在一些问题，这些问题大大限制了其使用范围。
特别是，相对于激励电压，它们产生的信号不超过2-3mV/V。而且，它们提供的电阻太低，结果导致能量显著的损耗，并且它们不得不装配成复杂的线路布设，可以预知这需要许多用来标定和控制温度影响的电阻。
为了至少部分避免上述问题，已经提供了基于半导体材料例如硅的应变片，它通常有可能获得一个较大的输出信号。
这种应变片虽然比较灵敏，但它显著地受到温度的影响，这样这种应变片只能在严格控制的条件下例如在物理实验室和类似环境中使用。
而且，基于已知的半导体材料的应变片只能用于测量在非常受限制的范围内的变形。
与在室外或没有进行热调节的环境中不便于任何其它形式的使用一样，这种应变片妨碍了最重要的商业用途，例如测定在货物和产品零售中的重量。
基于本发明的技术问题是提供一种应变片，该应变片能够克服所述已有技术中存在的缺点。
通过上述应变片解决了上述问题，该应变片的特征在于所述半导体材料是硫化钐(Samarium monosulphide)。
本发明的应变片的主要优点在于这样的事实，即它在精度和灵敏度方面具有良好的性能，同时不受温度的影响，并可用于一个较宽范围的变形，它非常适合商业上使用。
下面参考许多优选实施例来描述本发明，这些实施例仅仅是非限制性的实例。参考附图进行说明，其中

图1表示根据本发明的采用应变片的敏感元件的一立体图；图2与图1共同表示敏感元件的后侧视图；图3表示图1的应变片的电路图；图4表示沿着线X-X截取的图1的敏感元件的横截面详图；图5表示采用图1的支承体的一个秤的平面图；图6表示采用本发明的应变片的一个压力传感器的平面图；图7表示敏感元件的布置的示意图。
特别参见图1，一个电应变式敏感元件的整体用E表示。这种电应变式敏感元件通常用于测量仪器例如秤或类似物中。
它包括一基本是弯曲杆形状的一个可弹性变形的支承体1，该可弹性变形支承体具有矩形截面，并且具有一个自由端2和一个固定端3，该自由端2受力时由被测量的力例如重力作用。
在这方面，如下文详细所述，支承体可以与应变片类型的伸缩传感器结合。
支承体1具有一对第一和第二通孔，最接近自由端2的通孔用4表示，最接近固定端3的通孔用5表示，它们均具有圆形截面。
孔4，5具有平行对称的轴，这两个轴都垂直于支承体1，并且与各端2，3保持规定距离并沿支承体1基本上在一条横向直线上。
孔直径与支承体1的厚度相差不大，并设有与每个孔4，5对应的窄顶部6和窄底部7。四个窄部都具有相同的最小厚度。
支承体1还具有与孔4，5连接的贯通槽8。该槽沿其纵向对称轴与支承体1平行伸展。
由弹性材料例如钢制成的一个杆件可以制得呈单件的上述支承体1。
由于敏感元件E的几何尺寸的影响，还由于支承体1适合在固定端3上架锁，因此，如果一个力在对应于支承体1的自由端2垂直作用于元件E上，该支承体将基本上弯曲成s形。第一孔4的窄顶部6和第二孔5的窄底部7受到同样的拉伸，而第一孔4的窄底部7和第二孔5的窄顶部6受到相等的压缩。
通常由金属制成的支承体1由绝缘层9覆盖，在本实施例中该绝缘层是SiO。
所述绝缘层9可以例如通过公知的化学气相淀积方法淀积就位。使用该方法，有可能获得最佳厚度的绝缘层9，至少在支承体1可能产生的变形如压缩或拉伸的范围内，该绝缘层9还必须保持机械粘接在支承体1上，并且必须随支承件变形。
所述厚度介于0.5μm和10.0μm之间，并且最好等于约5.0μm。
在与窄部分6，7对应并与最大变形点对称的位置，支承体1设置相应的应变片，在第一孔4的窄顶部6的应变片由10a表示，在第二孔5的窄顶部6的应变片由10b表示，在第二孔5的窄底部的应变片由10c表示，在第一孔4的窄底部的应变片由10d表示。
应变片10a-10d由一种半导体材料制成。它们都是在绝缘层变形期间保持粘接在绝缘层9上的材料。这种粘接导致应变片10a-10d的相应的纵向变形，不管它受到拉伸或压缩，将依次导致应变片10a-10d的电阻值变化。
在根据本发明的应变片10a-10d中，所述半导体材料包括硫化钐(Samarium monosulphide)，后文用SmS简单地表示。
每个应变片10a-10d具有沿着支承体1的方向延伸的基本矩形形状。它们在最薄点对称布置，这里产生最大变形。
换句话说，每个应变片10a-10d的电轴与变形的机械轴一致，对于电轴来说，从中点到其中一个端点所测量的电阻与从该中点到另一个端点所测量的电阻相同，对于机械轴来说，每个窄部分6，7的变形沿该机械轴对称。
每个应变片的厚度是测微的，特别是，它可以在0.5μm和1.0μm之间，并且最好是约0.7μm。
SmS可以淀积成一种多晶结构或者成一种基本单晶结构，并直接淀积在绝缘层9(图4)上。
具有SmS基的应变片能够纵向变形，这样其电阻产生变化，并且产生与所谓的灵敏度系数K成比例的输出信号，灵敏度系数以下列关系式表示K＝δR/ε*R其中δR＝应变片电阻的变化量ε＝应变片电阻R＝应变在多晶SmS中，应变片K的值可超过50。该值甚至可接近100。
在基本单晶SmS中，应变片K的值约为250，比基于不同半导体材料的类似应变片高很多；这使它有可能得到0.005％的测量精度。
在SmS的情况下，ε可具有非常宽的范围，即它可达到3.10-3，在这种情况下，该K的值保持基本不变，这样每个应变片10a-10d的响应曲线基本成线性。
而且，在一个非常宽的温度范围内，例如在-50°和+50°之间，K不会发生明显的变化，这样应变片可以在不受限制的环境中使用。
参考图3，根据一个用11表示其整体的第一惠斯通电桥结构，四个应变片10a，10b，10c和10d彼此电连接。
为此目的，每个应变片10a-10d通过一个导电片12与相邻的应变片连接。
最好基于镍或钴的导电材料层通过化学气相淀积可形成导电片12，以提供基本零接触电阻，并且可以容易与例如由铜制成的导线连接。
可以理解，例如随着支承体1的变形(图4)，在导电片12和绝缘层9之间的连接仍具有显著的机械可靠性。
如图1至3所示，在两个相对端，即由13表示的公知的激励端，特别是在10b和10c之间和在10a和10d之间的端部，第一电桥11受到一个激励电压Vexc。如上所述，当元件E受到导致它弯曲成一个S形的张力时，应变片10a和10c变长，而应变片10b和10d压缩。
在静态条件下，此时零变形，电桥11完全得到平衡，在另一相对端，即由14表示的公知的检测端，特别是在10a和10b之间和在10c和10d之间的端部，没有电压。
当变形产生时，电桥失去电平衡。在检测端14产生一个电信号，即电压Vout，该电压与变形对应，并且与支承体1所承受的导致变形的力对应。
输出信号Vout非常高，它与激励电压Vexc之比约为50mV/V。
应变片10a-10d的总电阻可以在200Ω和500000Ω之间的范围内有效的变化，这使得损耗的能量有可能减少，并且即使不放大也可接收到很高输出的信号。能量损耗的减少导致有可能使用普通的一次性和/或可充电的电池来激励惠斯通电桥。
而且，敏感元件E即使在受到强烈的核辐射例如一个强度等于1010伦琴的γ射线时，也能始终保证稳定的操作质量。
除了上述物理特性之外，可以有利地标定上述敏感元件E，下文将对此更为详细地描述。
或多晶或单晶的SmS基的半导体材料薄层可进行转换，以产生基本类似金属特性的相，也就是说，经转换的材料的电阻是一种金属的(非常低)而不是一种半导体的。
已经发现，如果通过人工摩擦使局部受到即使低于30kbar，也就是说约为20kbar的压力，SmS也能高效的转换。使用小于10kbar的压力可以有利地达到这种效果。
该物理特性的原因在于以下事实，即由于所述局部压力值，电子密度在增加，因此，产生了导电率达到1.8·1022cm-3的现象，1.8·1022cm-3是金属的典型值。
由于这些原因，采用下述步骤。
当敏感元件E的固定端3设置在一个特定的支柱上之后，在自由端2施加一个已知的标定力，例如重力或已知弯曲力。
由于该力的作用，支承体1变形。从而产生一个给定的电信号，该电信号可以方便地测量并与一个电基准信号比较。
在考虑两个信号之间的差异，如上所述，在应变片10a-10d中的其中一个或不止一个所述应变片上，产生相的变化，也就是说从一个基本多晶或单晶的相变化到类似金属的相。
通过在一个定域区域F施加预定的压力T实现这种改变。
预定压力T由摩擦产生，其值小于30kbar，最好约为20kbar。
由于压缩，选择的定域区域的厚度变为原始厚度的约10％。
参考在应变片10a-10d的边缘的标有刻度的线15，可以仔细地选择确定部分F的位置和尺寸。
除了相对于基准信号调节标定信号之外，单独的一个应变片10a-10d的电轴总是与变形的相应力轴相一致，以这种方式也可有利地实现转变。
在SmS情况下，这种转变特别简单。事实上，晶体相和金属相具有完全不同的颜色，前者是金色，后者是暗褐色。
当使用超过一个应变片操作时，还有可能使任何由于校正单个应变片引起的不平衡恢复平衡。
而且，相的转变使得在应变片10a-10d和导电片12之间的连接点保持一个事实上的零电阻。
有利地是，在特定温度下进行标定。为此目的，上述操作可以在受控的温度条件下并在一个经过适当调节的环境中完成。
参考图5，现在描述采用上述敏感元件E的一个秤20，与上述相同或功能相同的部件采用相同的标号。
秤20包括一个固定框架21，它能够布置在一个支承表面A上，并具有搁架式的接合装置22，该接合装置与敏感元件E的固定端3连接。
在相对的自由端2，一个装载平台23刚性固定，所述类型的平台适合承受待测的重力P。
在本实施例中，除了测定精确重量外，附带还确定具有重力P的产品的售价。
秤20在元件E上具有上述应变片10a-10d。它们已经根据本发明的方法标定。
应变片10a-10d通过惠斯通电桥11电连接。在激励端13，施加一个激励电压Vexc。
一旦重力P已经作用在板23上，元件E产生弹性变形。应变片10a和10c被拉长，而应变片10b和10d被压缩。
这样第一电桥11失去平衡，并且产生一个基本与重力P对应的电信号Vout。
信号Vout由一个放大器24接收，该放大器24将信号传送到一个比较器25，该比较器25也承受激励电压Vexc。产生的信号传送到一个模-数转换器26，该模-数转换器26依次连接到一个微处理器27上。
微处理器27从一个键盘28接收数据，例如商品的每千个单位的价格或商品种类，并且产生输出值，例如销售价格，检测到的重量或类似数据，这些数据可以从一个显示器29读取到，或者打印在收据上。
同样的发明概念也可用在不同类型的测量仪器中，例如一个压力传感器，这由图6的30表示，它能够测量在一个流体例如水或空气中的静态压力P’。
在所述传感器30中，敏感元件E预见一个可弹性变形的膜片支承体1，该支承体1是一个不锈钢立柱31的端表面的形状。该立柱31在图中部分显示，在立柱31中有一个已知的压力；实际上测量出的压力是一个与之不同的或相关的压力。
图6中未表示的一个玻璃或云母绝缘层设置在膜片1的两个表面上，应变片10a-10d可以粘接于其上。
绝缘层的厚度有利的是在大约10μm和30μm之间。
通过一种化学气相淀积方法，SmS应变片10a-10d粘接到所述云母或玻璃层上。玻璃或云母层与应变片10a-10d一起粘合在金属膜片1上。SmS应变片10a-10d也可以淀积在SiO的绝缘层上，与已在上文描述的秤20的敏感元件E有关的方式类似，该绝缘层可以淀积在金属膜片1上。
应变片10a和10d粘贴在绝缘层上，并且，在将该绝缘层粘贴到膜片1上之后，它们布置成靠近立柱31的边缘32布置，也就是说，在最大变形点；由于压力P’的作用，应变片10a被拉长，而应变片10d被压缩。
另一方面，应变片10b和10c定位在与立柱的轴C对应的位置，并靠近膜片1的最大曲率。
通过一个如上所述的惠斯通电桥应变片10a-10d连接；产生与压力P’对应的电信号，并且按与秤20所用的相同方式处理。
上述标定方法也可有利的用于传感器30。
在上述秤或压力传感器中，为了完全补偿第一电桥11的电阻热变化，电桥11本身与如图7所示的预加重和测量装置40连接。
这个装置40包括一个第二惠斯通电桥结构41，其中所述第一电桥11是它的四个桥臂的其中一个。
对载荷和压力敏感的测量装置40的第一通道42与第一电桥11的自由对角线连接。所述通道42包括一个第一测量放大器43。
第二和外电桥41的其他桥臂是电阻44，该电阻44是精确的，相对于温度变化来说，它具有高稳定性。电阻44的电阻值与第一电桥11中的相同。
测量装置40的温度传感通道45与外电桥41的一条对角线的自由端连接。所述通道45包括一个第二测量放大器46。
放大器43，46都与一个多路调制器47连接，该多路调制器47与一电路48连接，该电路48包括一个A/D转换器49、与存储器51连接的一个微处理器50、一个接口52和一个计算机单元53。
多路调制器47和微处理器50与一个供电控制单元54连接。
一个激励器55即一个电源设备与外电桥41的另一条对角线的自由端连接，由此提供一个激励信号56。激励器与供电控制单元54连接。
在标定过程中，敏感元件E在无负载条件下加热到规定温度值。
然后，记录第一电桥的热变化。在随后的测量中，这个特征可以用来校正。
除了上述优点之外，所述应变片有可能构造这样一种敏感元件，该敏感元件对于其工作温度、弹性支承体的几何尺寸和弯曲参数特别容易标定，并且每个应变片的电轴和与其相关的变形的相应力轴之间可以保持一致。
显然，通过每个单独的应变片的颜色变化的指示，因而可以快速检测每个单独的应变片的特征变化，指出这个事实使标定也变得很容易。
为了满足附加需要和要求，对本领域的普通技术人员来说，在不超出如附加的权利要求书所限定的本发明的保护范围的前提下，上述应变片及其应用可进一步修改和变化。
权利要求
1.一种应变片(10a)，由半导体材料制成，这种应变片可通过机械的方法粘贴在承受变形的支承体(1)上，其特征在于所述半导体材料是硫化钐。
2.如权利要求1所述的应变片(10a)，其特征在于该应变片的厚度在0.5μm至1.0μm之间。
3.如权利要求2所述的应变片(10a)，其特征在于所述厚度约为0.7μm。
4.如上述任一项权利要求所述的应变片，其特征在于硫化钐是单晶体。
5.一种电应变式敏感元件(E)，它特别用于测量仪器(20，30)，这种测量仪器包括一个或多个应变片(10a，10b，10c，10d)，该应变片由半导体材料制成，且应变片与一种可弹性变形的支承体(1)连接，该支承体能够承受待测量的力(P，P’)的作用，并且应变片相互电连接以产生对应所述力的电信号，其特征在于所述半导体材料是硫化钐。
6.如权利要求5所述的敏感元件(E)，其特征在于所述一个或多个应变片(10a，10b，10c，10d)的厚度在0.5μm至1.0μm之间。
7.如权利要求6所述的敏感元件(E)，其特征在于所述厚度约为0.7μm。
8.如上述权利要求5至7中任一项所述的敏感元件(E)，其特征在于硫化钐是单晶体的。
9.如上述权利要求5至8中任一项所述的敏感元件(E)，其特征在于在支承体(1)和所述应变片(10a，10b，10c，10d)之间具有一绝缘层(9)。
10.如上述权利要求5至8中任一项所述的敏感元件(E)，其特征在于它具有电安装的四个应变片(10a，10b，10c，10d)组成惠斯通电桥结构(11)。
11.如上述权利要求5至8中任一项所述的敏感元件(E)，其特征在于所述一个或多个应变片(10a，10b，10c，10d)布置成与支承体(1)的最大变形点和/或曲线(6，7，32，A)对应。
12.如权利要求9所述的敏感元件(E)，其特征在于所述绝缘层由SiO制成。
13.如权利要求12所述的敏感元件(E)，其特征在于SiO通过化学气相淀积方法来淀积。
14.如权利要求10所述的敏感元件(E)，其特征在于通过导电片(12)来进行电装配，该导电片由镍和/或钴淀积物形成。
15.如权利要求11所述的敏感元件(E)，其特征在于所述应变片(10a，10b，10c，10d)以其电轴与支承体(1)的变形的机械轴一致的方式布置。
16.如权利要求15所述的敏感元件(E)，其特征在于所述支承体(1)呈矩形横截面的细长杆形式，它具有一对圆形横截面的通孔(4，5)，该对通孔直径相同，并且轴相互平行，并以限定了相同厚度的窄顶部(6)和窄底部(7)的方式布置，所述支承体(1)还包括一个贯通槽(8)，该贯通槽沿支承体纵轴与该支承体(1)平行地伸展，并使两个通孔(4，5)相互连通，所述薄部分(6，7)确定了所述变形的机械轴。
17.如上述权利要求5至8中任一项所述的敏感元件(E)，其特征在于可弹性变形的支承体是形成一立柱(31)的闭合的膜片(1)。
18.如权利要求17所述的敏感元件(E)，其特征在于膜片(1)上涂有绝缘层，该绝缘层由玻璃或云母制成。
19.如权利要求18所述的敏感元件(E)，其特征在于绝缘层的厚度在10μm至30μm之间。
20.如权利要求10所述的敏感元件(E)，其特征在于所述第一惠斯通电桥结构(11)是第二惠斯通电桥结构(41)的一个桥臂，这里的其它桥臂是电阻值与第一惠斯通电桥结构(11)中的电阻值相同的电阻(44)，其中激励器(55)与第二惠斯通电桥结构(41)的一条对角线的自由端连接，一个载荷或压力感应通道(42)与第一惠斯通电桥结构(11)的自由对角线连接，一个温度感应通道(45)与第二惠斯通电桥结构(41)的另一条对角线的自由端连接。
21.一种标定如权利要求5至20中任何一项所述的敏感元件(E)的方法，其特征在于该方法包括下述操作—对所述测量仪器施加标定力；—观察产生的电信号；—通过在所述一个或多个应变片(10a，10b，10c，10d)的确定部分(F)上施加预定压力(T)，在所述一个或多个应变片(10a，10b，10c，10d)内，引起从一个基本上晶体的相转变到具有金属状特性的相的相变，所述确定部分(F)的大小和位置由所述产生的电信号和一个基准信号间的差确定。
22.如权利要求21所述的标定方法，其特征在于所述预定压力的值不超过30kbar。
23.如权利要求22所述的标定方法，其特征在于所述预定压力由摩擦产生。
24.如权利要求21至23中任何一个所述的标定方法，其特征在于在施加所述预定压力时，应变片(10a，10b，10c，10d)的厚度在所述确定部分(F)减少到其原始厚度的10％。
25.如权利要求21至23中任何一个所述的标定方法，其特征在于在施加所述预定压力时，应变片(10a，10b，10c，10d)的颜色在所述确定部分(F)从金色变化到暗褐色。
26.如权利要求21至25中任何一个所述的标定方法，其特征在于所述操作在受控的温度条件下进行。
27.一种秤(20)，这种秤包括一个压力盒(23)，该压力盒能够接受被称重的材料和/或物体并与一个或多个根据权利要求5至16中任何一个所述的敏感元件(E)机械地连接。
28.一种压力传感器(30)，这种压力传感器包括一个或多个根据权利要求17至20中任何一个所述的敏感元件(E)。
全文摘要
一种应变片(10a),这种应变片可用机械方法粘贴在承受变形的支承体(1)上,该应变片由硫化钐制成,并且在精度和灵敏度方面具有最佳性能,同时不受温度影响,并且非常适合商业上应用的较宽范围的变形。
文档编号G01L1/22GK1278329SQ98810859
公开日2000年12月27日 申请日期1998年2月27日 优先权日1997年11月6日
发明者尼克雷·M·沃罗金, 帕维尔·米奥杜舍维斯基, 维拉迪米尔·V·卡明斯基 申请人:波维科股份公司