[发明专利]具有应变元件的精密力传感器

说明书

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 C1 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3×3000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 A1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17-4PH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SiO2，Al2O3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SiO2、Al2O3 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)。