DE69012186T2

DE69012186T2 - Feldbegründeter Bewegungssensor (Messzelle).

Info

Publication number: DE69012186T2
Application number: DE69012186T
Authority: DE
Inventors: Stephen C Jacobsen; John E Wood
Original assignee: Sarcos Group
Current assignee: Sarcos Group
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2010-03-28
Also published as: ATE111216T1; EP0391217A2; US4964306A; CA2013029C; EP0391217B1; JPH0361861A; EP0391217A3; JP2937399B2; KR900016746A; CA2013029A1; DE69012186D1; KR0172591B1

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zum Messen einer Bewegung, und insbesondere führt sie als Beispiel Vorrichtungen zum Messen einer Verformung in einem Gegenstand und Vorrichtungen zum Messen von Beschleunigung an.
Die Messung der Verformung (die Änderung in der Länge eines Gegenstands in einer Richtung gegenüber einer unverzerrten Einheitslänge) in Proben und Gegenständen kann entweder direkt oder indirekt ausgeführt werden. Einige der Verfahren zum direkten Messen einer Verformung beinhalten die Verwendung von Verformungsmeßgeräten mit angebondeten Drähten (bei denen ein Gitter aus verformungsempfindlichem Draht an eine Probe geklebt ist, so daß eine Änderung in der Länge des Gitters aufgrund von Verformungen in der Probe den Widerstand des Drahts ändert, der dann gemessen werden kann), von mechanischen Verformungsmeßgeräten (bei denen optische oder mechanische Hebelsysteine verwendet werden, um die Verformung zu vervielfachen, die dann von einer geeigneten Skala abgelesen werden kann), von magnetischen Verformungsmeßgeräten (die magnetische Schaltkreise enthalten mit Luftzwischenräumen, die, wenn diese als Folge von einer Verformung in der Probe verändert werden, den magnetischen Leitwert der Schaltkreise verändern, um eine Anzeige für die erzeugte Verformung zu schaffen), von Halbleiterverformungsmeßgeräten (bei denen der Widerstand eines Piezo-Widerstandmaterials sich mit der angewendeten mechanischen Spannung und der sich ergebenden Verformung in dem Material verändert), und von Kapazitätsverformungsmeßgeräten (bei denen eine durch die Veränderung in dem Abstand von Elementen aufgrund einer Verformung in der Probe hervorgerufene Veränderung der Kapazität gemessen werden kann, um eine Auslesung für die Verformung zu schaffen).
Andere direkte Verformungsmeßvorrichtungen enthalten akustische Verformungsmesser, spröde Lacktiberzüge, Fotogitter und Kathetometer.
Verfahren zum indirekten Messen von Verformung in einer Probe beinhalten die Verwendung von Verschiebungsaufnahmevorrichtungen, Geschwindigkeitsaufnahmevorrichtungen und Beschleunigungsnachweisgeräten.
Ein Nachteil bei den herkömmlichen Verfahren zum Messen einer Verformung (oder von Kräften, bei denen jene mit eingeschlossen sind, die durch eine Beschleunigung, ein Gewicht oder ähnliches erzeugt werden) liegt darin, daß die verwendeten Geräte oft schwierig an einer Probe, deren Verformung zu messen ist, anzubringen sind oder mit dieser zu verwenden sind. Zudem sind solche Geräte typischerweise schwierig und teuer in der Herstellung. Aufgrund der intrinsischen hohen axialen Starrheit von vielen solchen Vorrichtungen ist schließlich eine hohe Qualität in der Verbindung der Vorrichtung mit der Probe notwendig, um ein Ablösen aufgrund eines Versagens der Verbindung zu verhindern, was wiederum eine zeitaufwendige und sorgfältige Vorbereitung der Probe für das Anbonden notwendig macht.
Ein Verfahren zum Messen von Kräften hat im allgemeinen die Verwendung einer parallelogrammartigen Struktur beinhaltet, bei der kapazitive Elemente angebracht waren, die so angeordnet waren, daß sie auf die Strukturen angewendete Kräfte messen. Beispiele von einigen solcher Vorrichtungen umfassen jene, die in den US-Patenten Nr. 4 092 856, 4 308 929, 4 572 006 und 4 649 759 offenbart sind. Alle mit Ausnahme von einer der in diesen Patenten offenbarten Vorrichtungen verwenden die Veränderung einer Kapazität aufgrund einer Veränderung in dem Abstand der kapazitiven Elemente als den Mechanismus zum Messen einer Kraft. Die kapazitiven Elemente sind an den Strukturen in einer Anordnung mit einander gegenüberliegenden Flächen angebracht, so daß die Strukturen typischerweise ziemlich sperrig sind und nicht-planare Profile aufweisen. Es wäre schwierig, solche Strukturen für die Verwendung als Verformungsmesser anzupassen, da es aufgrund ihrer Masse und Größe schwierig wäre, die Strukturen an den Proben oder Gegenständen, in denen eine Verformung zu messen ist, anzubringen. Zudem ist die Herstellung der Strukturen mit den kapazitiven Elementen in einer Anordnung mit einander gegenüberliegenden Flächen ziemlich schwierig, da die Oberflächen oder Vorderseiten der Struktur vorbereitet und behandelt werden müssen. Die US-A-4 308 929 offenbart eine kapazitive Lastzelle, die zwei Vorsprünge enthält, von denen einer eine Kraftfeldquelle und der andere einen Kraftfelddetektor trägt. Wenn eine Kraft auf die Lastzelle angewendet wird, verändert sich der Abstand der Vorsprünge und das Detektorsignal wird verändert. Diese Vorrichtung ist jedoch sperrig und nicht einfach an der Oberfläche der Probe anzubringen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Bewegungssensor zu schaffen, der einfach herzustellen ist, einen einfachen Aufbau aufweist und sofort zum Messen einer Vielzahl von Kräften und Bewegungen, die im allgemeinen entlang einer Achse vorliegen, verwendbar ist.
Es ist zudem eine Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Sensor zu schaffen, der ein relativ niedriges, flaches Profil aufweist, das zum Anbringen an einem Gegenstand, an dem die Verformung zu messen ist, geeignet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Sensor zu schaffen, der eine relativ geringe Größe aufweist und gut zur Verwendung mit Halbleitern und integrierten Schaltkreisen geeignet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Sensor zu schaffen, der unter Verwendung von herkömmlicher Technologie zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen hergestellt werden kann.
Es ist zudem eine Aufgabe der Erfindung, einen solchen Sensor zu schaffen, bei dem ein Anbringen einer einzigen Oberfläche von Kraft oder Bewegung messenden Elementen möglich ist.
Die obigen und andere Aufgaben der Erfindung werden in einer bestimmten veranschaulichenden Ausführungsform eines zum Messen einer Bewegung oder Verformung entlang einer bestimmten Achse in einem Gegenstand, an dem der Sensor angebracht ist, geeignet ausgebildeten Bewegungssensor gelöst. Der Sensor enthält ein Substrat mit einer Arbeits- oder Betriebsoberfläche, an dem ein Paar aus einer ersten Richtung vorstehenden Fingern und ein aus einer der ersten Richtung gegenüberliegenden Richtung zu einer Position zwischen den Fingern vorstehender dritter Finger ausgebildet ist. Das Fingerpaar und der dritte Finger stehen im allgemeinen senkrecht zu der Achse vor, entlang der die Verformung zu messen ist, wobei das Fingerpaar in bezug auf den dritten Finger entlang der Achse beweglich ist, wenn die Verformung in dem Gegenstand auftritt. Ein ein Kraftfeld erzeugendes Element, wie z.B. ein elektrisch geladenes Element oder ein ein Magnetfeld erzeugendes Element, ist an der Betriebsoberfläche des dritten Fingers angebracht, und ein Paar von Kraftfeld nachweisenden Vorrichtungen, wie z.B. ein zum Nachweis von elektrischen Feldern fähiger Feldeffekttransistor oder magnetische Feldeffekttransistoren mit aufgespaltetem Drain, die magnetische Felder nachweisen können, sind jeweils auf einer Betriebsoberfläche eines unterschiedlichen Fingers des Fingerpaars angeordnet. Wenn der Gegenstand, an dem das Substrat angebracht ist, einer Verformung unterworfen ist, die bewirkt, daß das Fingerpaar sich relativ zu dem dritten Finger bewegt, werden die Veränderungen in der Stärke des Kraftfelds von dem Kraftfeld erzeugenden Element zu den Kraftfeld nachweisenden Elementen bestimmt, was eine Messung der Veränderung in dem Abstand zwischen dem dritten Finger und dem Fingerpaar schafft. Die Veränderung im Abstand zwischen den Fingern wiederum schafft eine Messung der Verformung des Gegenstands, an dem das Substrat angebracht ist.
Die obigen und andere Aufgaben, Eigenheiten und Vorteile der Erfindung werden klar aus einer Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines flexiblen, uniaxialen Verformungswandlers, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angefertigt wurde;
Fig.2A und 2B Draufsichten auf die Wandler nach der Fig. 1, wenn sie sich jeweils unter Dehnungsverformung und Stauchungsverformung befinden;
Fig.3 ein Schema eines beispielhaften Schaltkreises, der zum Erzeugen eines Signals verwendet werden kann, das die Verformung anzeigt, der der Wandler nach der Fig. 1 unterworfen ist;
Fig.4 eine verkürzte Draufsicht auf einen Verformungswandler, der eine Vielzahl von Sensorkombinationen enthält;
Fig.5A eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Verformungswandlers, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angefertigt wurde und der ein Noniusprinzip für die Messung verwendet;
Fig.5B, 5C und 5D zeigen grafische Darstellungen für die Verwendung des Verformungswandlers nach der Fig. 5A;
Fig.6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Verformungswandlers, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angefertigt wurde und bei dem auch das Noniusprinzip verwendet wird;
Fig.7 eine Draufsicht auf einen Beschleunigungskraftwandler, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angefertigt wurde;
Fig.8 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Kraftwandlers, der gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angefertigt wurde und bei dem die Größe, jedoch nicht die Kraftrichtung bestimmt werden kann;
Fig.9 zeigt eine Draufsicht auf einen uniaxialen Kraftwandler, bei dem die Größe und zwei Kraftrichtungen bestimmt werden können;
Fig.10 eine Draufsicht auf einen biaxialen Kraftwandler, bei dem die Stärke und vier Kraftrichtungen bestimmt werden können;
Fig.11A, 11B und 11 C grafische Draufsichtdarstelungen von drei Ausführungsformen von Rosettenverformungswandlern, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angefertigt wurden; und
Fig.12 eine Draufsicht auf einen Verformungswandler mit mechanischer Verstärkung.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. Bezüglich der Fig. 1 wird eine veranschaulichende Ausführungsform eines flexiblen uniaxialen Verformungswandlers zum Messen der Verformung in einem Gegenstand gezeigt, auf den oder an dem der Wandler angebracht ist. Der Wandler enthält ein im allgemeinen planares Siliziumsubstratrahmenteil 4 von flachem Profil mit einer oberen Arbeits- oder Betriebsoberfläche, auf der Betriebsteile des Wandlers angebracht sind, und mit einer unteren Oberfläche. Das Rahmenteil 4 enthält ein Paar von im allgemeinen parallelen Last tragenden Balken oder Seitenschienen 8 und 12, die in Längsrichtung zueinander beweglich sind, wenn der Gegenstand, an dem der Wandler angebracht ist, einer Verformung unterworfen ist. An jeweiligen gegenuberliegenden Enden der Balken 8 und 12 befinden sich Bondingflecken oder Klebestellen 16 und 20. Die Bondingflecken sind im allgemeinen zu den Balken 8 und 12 koplanar und stehen von dem jeweiligen Balken, an dem sie ausgebildet sind, zu einer Stelle angrenzend an und beabstandet von dem Ende des anderen Balkens vor. Die Bondigflecken 16 und 20 ermöglichen die Anbringung des Wandlers durch einen geeigneten Klebstoff an dem Gegenstand, in dem die Verformung zu messen ist. Eine Vielzahl von in Seitrichtung flexiblen verbindenden Balken oder Streben 24 erstreckt sich zwischen den Balken 8 und 12 und verbindet diese. Die Streben 24 sind im allgemeinen senkrecht zu den Balken 8 und 12, wie in der Fig. 1 gezeigt ist. Ein erster Vorsprung 28 steht von dem Balken 12 gegen den Balken 8 an einer Stelle zwischen einem zweiten Vorsprung 32 und einem dritten Vorsprung 36 vor, die beide von dem Balken 8 gegen den Balken 12 vorstehen.
Auf der Arbeitsoberfläche des Vorsprungs 28 ist beispielsweise durch herkömmliche Mikrofabrikationsverfahren eine Emissionsvorrichtung 40 zum Bilden eines elektrischen Felds angeordnet und ausgebildet. Die Emissionsvorrichtung kann beispielsweise zur Veranschaulichung ein geladener elektrischer Leiter sein.
Auf den Arbeitsoberflächen der Vorsprünge 32 und 36 sind ebenfalls beispielsweise durch herkömmliche Mikrofabrikationstechniken, wie z.B. Vakuumablagerung, zwei Detektoren angeordnet und ausgebildet, bei denen es sich in dieser Ausführungsform jeweils um Feldeffekttransistoren (FETS) 44 und 48 handelt. Ein Leiter 52 verbindet die leitfänige Emissionsvorrichtung 40 mit einem elektrischen Kantenkontaktflecken 54 zum Verbinden mit einer elektrischen Ladungsquelle, und Leiter 56 und 58 verbinden jeweils den FET 44 und den FET 46 mit elektrischen Kantenkontaktflecken 60 und 62 zum Verbinden mit einem Sensorschaltkreis, wie z.B. dem in der Fig. 3 gezeigten.
Die Emissionsvorrichtung 40 könnte alternativ aus einer Schicht aus positive oder negative Ladungen enthaltendem Material bestehen. Beispielsweise könnte die Emissionsvorrichtung zur Veranschaulichung einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen mit darin implantierten Elektronen bestehen.
Die FETS 44 und 48 enthalten leitfähige Gates, die durch das durch die leitfähige Emissionsvorrichtung 40 erzeugte elektrische Feld beeinflußt werden, wobei der Grad der Beeinflussung durch den Abstand zwischen den Vorsprüngen 28 und den jeweiligen Vorsprüngen 32 und 36 bestimmt ist, d.h., durch den Abstand zwischen der Quelle des elektrischen Felds und den leitfähigen Gates der FETS. Die Betriebsweise von FETS ist wohlbekannt, wie auch der Effekt eines elektrischen Feldes auf das leitfähige Gate eines FET. Der FET enthält zwei leitfähige Bereiche, die als die Drain- und Sourcebereiche bekannt sind, die durch einen leitfähigen Kanalbereich getrennt sind. Der Sourcebereich und der Drainbereich werden unter unterschiedlichen elektrischen Potentialen gehalten, so daß bewirkt wird, daß ein elektrischer Strom zwischen den Bereichen durch den Kanal fließt. Das Gate eines FET ist angrenzend an den Kanalbereich angeordnet, und wenn der FET einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, wird eine elektrische Ladung auf der Oberfläche des Gate induziert, die die Leitfähigkeit des Kanalbereichs beeinflußt. Dies wiederum bestimmt die Stärke des elektrischen Stroms, der zwischen dem Drainbereich und dem Sourcebereich fließt. Wenn dieser elektrische Stromfluß gemessen wird, kann eine Bestimmung über die Nähe einer Quelle eines elektrischen Felds, die in der Nähe der FETS angeordnet ist, durchgeführt werden. Eine weitere Diskussion dieses Effekts ist in dem US-Patent Nr. 4 767 973 zu finden, das am 30. August 1988 ausgestellt wurde, und das hier durch Bezugnahme miteingeschlossen ist.
Obwohl die Ausführungsform nach der Fig. 1 mit Verwendung einer leitfähigen Emissionsvorrichtung 40 und FETS 44 und 48 gezeigt ist, ist klar, daß alternativ dazu die leitfähige Emissionsvorrichtung 40 durch einen Magnetfeldemitter, wie z.B. einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, ersetzt werden könnte, und die FETS könnten durch magnetische FETS mit aufgespaltenem Drain (MAGFETS) ersetzt werden, die magnetische Felder nachweisen können. Dann würden die MAGFETS den Abstand zwischen jedem der MAGFETS und dem auf dem Vorsprung 28 gelegenen Permanentmagneten feststellen.
Kurz gesagt, ein MAGFET ist ein Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor (MOSFET) mit zwei Drains, d.h. der MAGFET hat einen Sourcebereich, zwei Drainbereiche, einen leitfähigen Kanalbereich zwischen dem Sourcebereich und den beiden Drainbereichen, und ein angrenzend an den Kanalbereich gelegenes Gate. Bei der Abwesenheit eines elektrischen Felds fließt ein Strom von dem Sourcebereich durch den Kanalbereich gleichmäßig zu den beiden Drainbereichen. Wenn ein magnetisches Feld vorhanden ist, wird festgestellt, daß der Strom durch den Kanalbereich mehr zu dem einen Drainbereich als zu dem anderen fließt, wobei die Stärke der Ablenkung und somit das Ungleichgewicht des zu den beiden Drainbereichen fließenden Strom von der Intensität des Magnetfeldes abhängig ist. Ein Messen des Stromungleichgewichts in den beiden Drainbereichen schafft somit eine Messung der Nähe einer Magnetfeldguelle zu dem MAGFET.
Die Ausführungsform nach der Fig. 1 zeigt die Verwendung von Detektoren (FETS 44 und 48), die zu beiden Seiten einer Emissionsvorrichtung 40 angeordnet sind, wobei der Vorteil dieser Zwei-Detektoranordnung sofort klar ist. Es sei jedoch erwähnt, daß die Verwendung eines einzigen Detektors, der auf einem Vorsprung angeordnet ist, und zu einer Seite der Emissionsvorrichtung 40 gelegen ist, ebenfalls dazu dienen könnte, eine Verformung, das ist eine Bewegung des Bondingsfleckens 16 relativ zu dem Bondingflecken 20, festzustellen, wie in Verbindung mit den Figuren 2A und 2B erörtert werden wird.
Die Figuren 2A und 2B zeigen in übertriebener Weise jeweils die Auswirkungen einer Zugspannung (Auseinanderziehen) und einer Druckkraft (Zusammendrücken) auf den Wandler 4. In der Fig. 2A besteht der Einfluß einer Dehnungsspannung an dem Gegenstand, an dem der Wandler 4 angebracht ist, darin, daß die Bondingflecken 16 und 20 voneinander weggezogen werden und daß der Vorsprung 28 somit von dem Vorsprung 32 sich weg- und zu dem Vorsprung 36 hinbewegt, wie gezeigt ist. Der an dem Vorsprung 36 abgelagerte FET stellt somit eine Erhöhung in der Stärke des elektrischen Felds, das von der leitfähigen Emissionsvorrichtung an dem Vorsprung 28 erzeugt wird, und somit die Stärke der Bewegung des Vorsprungs 28 gegen den Vorsprung 36 fest, wogegen der FET an dem Vorsprung 32 die Abnahme in der Stärke des elektrischen Felds und somit die Größe der Bewegung des Vorsprungs 28 von dem Vorsprung 32 weg feststellt. Der Unterschied zwischen der Erhöhung in der Stärke des elektrischen Felds und der Abnahme in der Stärke des elektrischen Felds kann durch den Differenzschaltkreis, der in der Fig. 3 gezeigt ist, bestimmt werden, um ein resultierendes Signal zu erzeugen, das auf genauere Weise die Größe der Bewegung der Balken 8 und 12 relativ zueinander anzeigt, um dadurch auf genaue Weise die in dem Gegenstand, an dem der Wandler 4 angebracht ist, ausgebildete Verformung zu messen.
Die Fig. 2B zeigt in übertriebener Form den Einfluß einer auf den Wandler 4 angewendeten stauchenden Kraft, wobei der Vorsprung 28 näher zu dem Vorsprung 32 hin- und weiter von dem Vorsprung 36 wegbewegt wird. Wieder kann die Strecke dieser Bewegung durch die auf den Vorsprüngen 32 und 36 gelegenen FETS gemessen werden, wie vorher beschrieben wurde.
Obwohl beschrieben wurde, daß der Substratrahmen 4 aus Silizium hergestellt ist, könnte er auch aus anderen Materialien, wie z.B. Polysilizium, Saphir, amorphes Silizium, Germanium, Galliumarsenid, etc. hergestellt sein. Obwohl ebenfalls beschrieben wurde, daß die gesamten FETS auf den Vorsprüngen 32 und 36 abgelagert sind, kann es wunschenswert sein, einfach nur die Gates der FETS auf diesen Vorsprüngen abzulagern und die verbleibenden Teile der FETS entfernt von den Gates entweder auf dem Rahmen 4 oder an irgendeiner anderen Stelle abzulagern. In einem solchen Fall würden die Gates auf den Vorsprüngen 32 und 36 durch geeignete Leiter mit den jeweiligen FETS, von denen sie einen Teil bilden, gekoppelt.
Die Fig. 3 ist ein Schema eines veranschaulichenden Differenzschaltkreises, der mit dem Wandler nach der Fig. 1 verwendet werden könnte, um die Bewegung der Vorsprünge 32 und 36 relativ zu dem Vorsprung 28 und somit die Verformung in einem Gegenstand, auf dem der Wandler angebracht ist, zu messen. Die Schaltung enthält eine Ladungsquelle oder Spannungsguelle 57, die mit der Emissionsvorrichtung 40 auf dem Vorsprung 28 gekoppelt ist, eine Spannungsquelle 59, die mit den Drainbereichen der FETS 44 und 48 gekoppelt ist, zwei Stromspannungswandler 61 und 63, die jeweils mit einem entsprechenden Sourcebereich der FETS 44 und 48 gekoppelt sind, und zwei Spannungsverstärker 65 und 67. Die Polaritäten der durch die Verstärker 65 und 67 erzeugten Spannungssignale sind entgegengesetzt und diese Signale werden an einen Komparator 69 geliefert, der ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude proportional zu der Differenz der Höhe der Eingangssignale ist (zur Anzeige der Größe der Bewegung der Vorsprünge 32 und 36 relativ zu Vorsprung 28) und dessen Polarität durch die Richtung der Bewegung der Vorsprünge bestimmt ist. Auf diese Weise kann sowohl die Größe der Verformung in dem gemessenen Gegenstand bestimmt werden und ob es sich bei der Verformung um eine Zug- oder Stauchungsverformung handelt.
Die Fig. 4 zeigt verkürzt einen Wandler mit mehreren Sätzen 70 von zwei die Detektorelemente enthaltenden Vorsprüngen und einem zwischen den beiden Vorsprüngen gelegenen Vorsprung, der ein Kraftfeld erzeugendes Element enthält. Durch Vorsehen von mehreren Sätzen solcher Kraftfeld erzeugenden Elemente und Nachweiselemente können die Signalausgaben summiert werden, um ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis für den Wandler zu schaffen. Ein summierender Verstärker 72 ist gezeigt, der mit den Ausgängen der beiden Komparatoren 74 und 78 gekoppelt ist.
Die Fig. 5A zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines aus zwei Stücken aufgebauten Verformungswandlers, von denen beide auf den Gegenstand, in dem eine Verformung zu messen ist, angebracht wurden. Der Wandler nach der Fig. 5A enthält ein Paar von Last tragenden, im Abstand stehenden, im allgemeinen parallelen Schienen 80 und 84. Ein Bondingflecken 88 ist mit einem Ende der Schiene 80 verbunden und erstreckt sich gegen ein Ende der Schiene 84, und ein Bondingflecken 92 erstreckt sich wie gezeigt von dem anderen Ende der Schiene 84 gegen ein Ende der Schiene 88. Die Bondingflecken 88 und 92 sind zum Anbringen der Wandler an einen Gegenstand, in dem eine Verformung zu messen ist, vorgesehen.
Weiter ist ein Paar von Armen 96 und 100 enthalten, die jeweils von den Schienen 84 und 80 ausgehen und Lagen parallel zu und Seite an Seite zueinander einnehmen. Der Arm 96 ist zwischen dem Arm 100 und der Schiene 80 angeordnet, wogegen der Arm 100 zwischen dem Arm 96 und der Schiene 84 angeordnet ist. Mehrere Kraftfeldemissionsvorrichtungen 100 befinden sich im Abstand in Längsrichtung entlang des Arms 96 und viele (eine weniger als die Zähl der Kraftfeldemissionsvorrichtungen) Kraftfelddetektorelemente befinden sich im Abstand in Längsrichtung entlang des Arms 100. Wie man sehen kann, sind die an den Enden gelegenen Kraftfeldemissionsvorrichtungen der Feldanordnung den jeweiligen an den Enden gelegenen Kraftfelddetektorelementen gegenüberliegend angeordnet, wenn der Wandler keiner Spannungs- oder Kompressionskraft unterworfen ist. Die Fig. 5B stellt die Positionen der Kraftfeldemissionsvorrichtungen 104 relativ zu dem Kraftfelddetektorelementen 108 besser dar, wenn der Wandler in einem Zustand ohne oder mit Null-Verformung ist. Die Anordnung der Kraftfeldemissionsvorrichtungen 104 relativ zu den Kraftfelddetektorelementen 108 ist ähnlich zu einer Noniusskalenanordnung. Das heißt, daß bei einer kleinen Bewegung der Arme 96 und 100 relativ zueinander die Empfindlichkeit der Wandler erhöht wird für Verformungen, die in dem Gegenstand auftreten, auf dem der Wandler angebracht ist.
Die Fig. 5C stellt die relative Bewegung der Arme 95 und 100 dar, wenn eine Druckkraft auf den Wandler einwirkt. In diesem Fall werden die an den Enden liegenden Kraftfeldemissionsvorrichtungen gegen die an den Enden liegenden Kraftfelddetektorelemente versetzt, und die zweite Kraftfeldemissionsvorrichtung 104a von rechts wird mit dem zweiten Kraftfelddetektorelement 108a von rechts wie gezeigt ausgerichtet. Wenn dies eintritt, weist das Kraftfelddetektorelement 108a die Nähe zu der Kraftfeldemissionsvorrichtung 104a nach, um eine die Größe der relativen Bewegung der Arme anzeigende Auslesung zu schaffen. Eine fortgesetzte relative Bewegung der Arme 96 und 100, wie in der Fig. 5C gezeigt ist, wird schließlich die dritte Kraftfeldemissionsvorrichtung von rechts und das dritte Kraftfelddetektorelement von rechts, etc., in Ausrichtung bringen, um fortschreitend eine Auslesung der Bewegung des Arms zu schaffen.
Die Fig. 5D zeigt die relative Bewegung der Arme 96 und 100, wenn der Wandler einer Zugspannung unterworfen ist, so daß die zweite Kraftfeldemissionsvorrichtung 104b von links mit dem zweiten Kraftfelddetektorelement 108b von links zur Ausrichtung kommt. Bei dieser Ausrichtung und Nähe würde eine Auslesung des Kraftfelddetektorelements 108b eine Anzeige für die Größe der relativen Bewegung der Arme schaffen. Wenn die Arme 96 und 100 ihre relative Bewegung weiter fortsetzen, wie in der Fig. 5D angedeutet ist, dann würden auf ähnliche Weise die zweite Kraftfeldemissionsvorrichtung von links und das zweite Kraftfelddetektorelement von links in Ausrichtung kommen etc.
Die Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Verformungswandlers, der das Noniusprinzip benutzt. Dieser Wandler enthält ein flexibles, im allgemeines planares Rahmenteil 120 mit einem Paar von Last tragenden, im Abstand stehenden, im allgemeinen parallelen Schienen 124 und 128, einem Paar von Bondingflecken 132 und 136, die jeweils von den jeweiligen Enden der Schienen 124 und 128 vorstehen, und einer Vielzahl von im Abstand stehenden, in seitlicher Richtung flexiblen verbindenden Stäben 140 und 144, die sich zwischen den Schienen 124 und 128 erstrecken und diese verbinden. Zudem ist ein Paar von koplanaren Platten 148 und 152 enthalten, die sich jeweils von den Schienen 124 und 128 zueinander hin erstrecken, so daß die angrenzenden freien Kanten 150 und 154 der Platten 148 und 152 jeweils im allgemeinen parallel zueinander sind. Eine Vielzahl von Kraftfeldemissionsvorrichtungen 156 ist auf der oberen Oberfläche des Rahmenteils 120 angebracht, die sich in Längsrichtung entlang der Platte 148 an der freien Kante 150 im Abstand befinden. Jede der Kraftfeldemissionsvorrichtungen 156 könnte zur Veranschaulichung einen länglichen Leiter umfassen, der sich von einer gemeinsamen Busleitung 164 (ebenfalls auf der oberen Oberfläche des Raamenteils 120 ausgebildet) zu der Kante 150 der Platte 148 erstreckt. Die gemeinsame Busleitung 164 ist in der Fig. 6 als mit einer einzigen Spannungsquelle 166 verbunden gezeigt, wobei jedoch jede der Emissionsvorrichtungen 156 mit einer eigenen Spannungsquelle gekoppelt sein könnte, die entweder unterschiedliche Spannungspegel oder im wesentlichen den gleichen Spannungspegel aufweisen. Auf der anderen Platte 152 ist eine Vielzanl von Kraftfelddetektorelementen ausgebildet, die sich in Längsrichtung im Abstand entlang der Platte in der Nähe der freien Kante 154 befinden. Vorteilhafterweise umfassen die Kraftfelddetektorelemente 160 längliche Leiter, die als Gates von FETS dienen, und die sich von einer Busleitung 168, die auf der oberen Oberfläche eines Rahmenteils 120 abgelagert ist, zu der freien Kante 154 der Platte erstrecken. Die Busleitung 168 würde in diesem Fall einzelne Leitungen oder Leiter für jeden der Leiterstreifen 160 für eine bestmögliche Verbindung mit jeweils einem unterschiedlichen FET enthalten. Alternativ dazu könnten die Kraftfelddetektorelemente 160 aus einzelnen FETS bestehen, die auf der oberen Oberfläche des Rahmenteils 120 abgelagert ist, so daß deren Gatebereiche angrenzend an oder an der Kante der freien Kante 154 der Platte 152 angeordnet sind.
Wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 5A bis 5D ist die Ausführungsform nach der Fig. 6 von der Art einer Noniusskalenanordnung, und eine Bewegung der Schienen 124 und 128 relativ zueinander würde durch diejenigen Kraftfeldemissionsvorrichtungen 156 festgestellt und bestimmt werden, die in größter Nähe zu den entsprechenden Kraftfelddetektorelementen sind, auf die gleiche Weise, wie es für die Ausführungsform nach den Figuren 5A bis 5D beschrieben wurde.
Der Wandler nach der Fig. 6 kann einfach unter Verwendung herkömmlicher Mikrofabrikationsverfahren hergestellt werden, um dabei die Kraftfeldemissionsvorrichtungen 156 und die Kraftfelddetektorelemente 160 so zu positionieren, daß sie gegeneinander soweit vorstehen, daß sie sich beinahe berühren. Nach der Herstellung werden dann die freien Kanten 150 und 154 beispielsweise durch Laserbearbeiten, chemisches Ätzen, mechanisches Sägen etc. geschnitten, um eine genaue parallele Anordnung der Kanten zu schaffen und um die Kraftfeldemissionsvorrichtungen an der Kante 150 und die Kraftfelddetektorelemente an der Kante 154 freiliegen zu lassen.
Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen Beschleunigungskraftwandler, der einen Substratrahmen 200 enthält. Der Rahmen enthält ein Paar von im allgemeinen parallelen, im Abstand befindlichen Schienen 204 und 208 und Bondingflecken 212 und 216, die mit den jeweiligen Enden der Schienen 204 verbunden sind. Die Schiene 208 ist über seitlich flexible Querstreben 220 und 224 mit der Schiene 208 verbunden, wie vorher beschrieben wurde. Finger 228 und 230 stehen von der Schiene 204 gegen die Schiene 208 jeweils zu Stellen zwischen den Fingerpaaren 222 und 226 vor, die wiederum von der Schiene 208 zur Schiene 204 vorstehen. Kraftfeldemissionsvorrichtungen sind an den Fingern 228 und 230 und Kraftfelddetektorelemente sind an den Fingerpaaren 232 und 236 angeordnet, wie früher für andere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde. An der Schiene 208 ist ein längliches Gewicht 240 angebracht, das, wenn der Rahmen 200 in Längsrichtung entweder nach rechts oder nach links in der Fig. 7 beschleunigt wird, verursacht, daß die Schiene 208 sich relativ zur Schiene 204 in einer Richtung entgegengesetzt zu der der Beschleunigung bewegt. Dies ist durch den Pfeil 244 angedeutet. Wenn bewirkt wird, daß die Schiene 208 sich relativ zur Schiene 204 bewegt, dann wird verursacht, daß die Fingerpaare 234 und 236 sich relativ zu den Fingern 228 und 230 bewegen, und diese Bewegung ist durch die Kraftdetektorelemente, die auf den Fingerpaaren 232 und 236 angeordnet sind, nachweisbar. Auf diese Weise kann die Beschleunigung, der der Rahmen 200 unterworfen ist, festgestellt und gemessen werden.
Die Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf einen Kraftwandler, bei dem die Größe, jedoch nicht die Richtung der Kraft bestimmt werden kann. Dieser Wandler ist aus einem einzigen Materialstück gebildet und enthält ein ringförmiges Substrat 300, auf dem ein FET 302 angeordnet ist mit einem Sourcebereich 303, einem Gatebereich 304 und einem Drainbereich 305, und ein zentral gelegenes Substratstück 312, das durch integral ausgebildete Federn 316 gehalten wird. Eine ein elektrisches Feld emittierende Vorrichtung 320 ist an dem Substratstück 312 angebracht. Der FET 302 ist mit einem Signalverarbeitungsschaltkreis 308 gekoppelt.
Wenn das Substrat 300 in einer Richtung beschleunigt wird, wird bewirkt, daß das Substrat 312, das durch die Federn 316 aufgehängt ist und nicht an dem beschleunigten Gegenstand angebracht ist, sich relativ zu dem Substrat 300 in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Beschleunigung bewegt. Diese Bewegung wird durch den FET 302 aufgrund einer Änderung in der Nähe zwischen der Emissionsvorrichtung 320 und dem Gate 304 nachgewiesen, wie vorher beschrieben wurde. Die Stärke der Beschleunigung des Substrats 300 in jeglicher Richtung wird durch die Nähe der Emissionsvorrichtung 320 zu dem Gatebereich 304 bestimmt, jedoch die Richtung der Beschleunigung kann durch den Wandler nach der Fig. 8 nicht bestimmt werden.
Die Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform eines Beschleunigungskraftwandlers, bei dem die Stärke der Beschleunigung entlang einer Achse 400 in beiden Richtungen bestimmt werden kann. Dieser Wandler enthält ein kreisförmiges Substrat 404 mit integral ausgebildeten flexiblen Streben 412 und 416, die von dem Substrat 404 nach innen vorstehen. Ein halbkreisförmiger FET 420 (mit einem Sourcebereich und einem Drainbereich, die zu beiden Seiten eines Gatebereichs angeordnet sind) und ein halbkreisförmiger FET 424 sind auf dem Substrat 404 angeordnet, wobei jeder FET mit einem jeweiligen Signalverarbeitungsschaltkreis 428 und 432 verbunden ist. In der Mitte des Substrats 404 wird ein integral ausgebildetes Substrat 436 an seinem Platz gehalten, auf dem eine Emissionsvorrichtung 440 für ein elektrisches Feld angeordnet ist. Wenn das Substrat 404 nach rechts entlang der Achse 400 beschleunigt wird, biegen sich die Haltestreben 412 und 416 nach links, wodurch bewirkt wird, daß die Emissionsvorrichtung 440 sich näher an das Gate des FET 420 bewegt, und dies bewirkt, daß sowohl der FET 420 als auch der FET 424 Signale erzeugen, die die Anderung in der Nähe der Emissionsvorrichtung 440 in bezug auf die Gate der FETS 420 und 424 anzeigen, wie vorher beschrieben wurde. Wenn das Substrat 404 nach links beschleunigt wird, dann wird auf ähnliche Weise bewirkt, daß sich die Haltestreben 412 und 416 nach rechts bewegen, wodurch die Emissionsvorrichtung 440 in größere Nähe mit dem Gate des FET 424 und weiter von dem Gate des FET 420 weggebracht wird. Diese Änderung in der Nähe würde wieder durch die Signalausgaben aus den FETS 420 und 424 widergespiegelt werden. Auf die beschriebene Weise kann sowohl die Größe wie auch die Richtung entlang der Achse 400 einer Beschleunigungskraft bestimmt werden.
Die Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf einen biaxialen Kraftwandler, bei dem die Größe und vier Richtungen einer Beschleunigungskraft bestimmt werden können. Der Wandler der Fig. 10 enthält ein kreisförmiges Substrat 500, auf dem viertelkreisförmige MAGFETS 516, 520, 524 und 528 angeordnet sind. Jeder dieser MAGFETS ist mit einem entsprechenden Signalverarbeitungsschaltkreis 532, 536, 540 und 544 verbunden. Der MAGFET 528 ist im Detail gezeigt und enthält einen Sourcebereich 529, einen Gatebereich 530 und zwei Drainbereiche 531a und 531b. Obwohl es in der Fig. 10 nicht gezeigt ist, wären die anderen MAGFETS ähnlich aufgebaut. In der Mitte des Substrats 500 ist durch integral ausgebildete mechanische Federn 548 ein Substrat 552 aufgehängt, auf dem ein Emitter 556 für ein magnetisches Feld angeordnet ist. Bei Betrachtung der Fig. 10 kann man sehen, wie eine Beschleunigung des Substrats 500 im allgemeinen entlang einer der durch die Federn 548 bestimmten Achsen dazu führen würde, daß einer der MAGFETS ein Signal erzeugt, das eine größere Nähe zwischen diesen MAGFETS und dem Emitter 556 anzeigt, und daß ein MAGFET ein Signal erzeugen würde, das anzeigt, daß sich der Emissionsvorrichtung 556 von diesem MAGFET wegbewegt hat. Auf diese Weise kann die Größe einer Beschleunigungskraft in jeder Richtung entlang zwei unterschiedlichen orthogonalen Achsen bestimmt werden.
Es wäre klar, daß auf eine zu dem in den Figuren 9 und 10 beschriebenen Wandler ähnliche Weise ein Wandler geschaffen werden könnte mit einem kreisförmigen Substrat und einem kreisförmigen, segmentförmigen Gatebereich, um Messungen einer Beschleunigungskraft zu ermöglichen, die entlang einer Vielzahl von Achsen auftreten kann. Die Messungen beträfen sowohl die Größe der Beschleunigungskraft als auch die Richtung entlang der bestimmten Achse, entlang der die Beschleunigung aufträte.
Die Figuren 11A, 11B und 11C zeigen grafische Draufsichtdarstellungen von einem zweielementigen Rosettenverformungswandler zum Messen einer Verformung in zwei zueinander senkrechten Richtungen, einen dreielementigen Rosettenverformungswandler und einen vierelementigen Rosettenverformungswandler. In der Fig. 11A enthält die Rosette ein einziges Substrat 600, das in der Form eines "T" ausgebildet ist und so geschnitten oder geätzt ist, daß es zwei auf FETS oder MAGFETS basierende Verformungswandler 604 und 608 aufnimmt, die ähnlich zu den in der Fig. 1 gezeigten Wandlern sind. Der Wandler 608 ist wie gezeigt senkrecht zu dem Wandler 604 vorgesehen. Das Substrat 600 ist aus einem flexiblen Material hergestellt, beispielsweise aus den vorher genannten Substratmaterialien. Bondingflecken 612 und 616 des Wandlers 604 und Bondingflecken 620 und 624 des Wandlers 608 sind zum Anbringen der Rosette an den Gegenstand, dessen Verformung zu messen ist, vorgesehen, wobei die lange Achse eines jeden Wandlers 604 und 608 so gelegen ist, daß sie im allgemeinen mit den Richtungen zusammenfällt, in denen eine Verformung des Gegenstands erwartet wird. Eine solche Verformung wird somit durch die beiden Wandler 604 und 608 gemessen.
Die Fig. 11B zeigt einen dreielementigen Rosettenverformungswandler mit drei auf FETS oder MAGFETS basierenden Verformungswandlern 704, 708 und 712, der aus einem einzigen Materialstück gebildet und 50 ausgebildet ist, daß er ein gleichseitiges Dreieck bildet. Angrenzende Enden der Wandler 704, 708 und 712 teilen sich gemeinsame Bondingflecken 716, 720 und 724. Die dreielementige Rosettenanordnung nach der Fig. 11B kann verwendet werden, um ein Verformungsfeld in einem Gegenstand zu messen und zu bestimmen, da, wie wohlbekannt ist, ein Verformungsfeld durch Messung von drei Verformungen an einer Stelle des Gegenstands bestimmt werden kann.
Die Fig. 11C zeigt noch einen weiteren Rosettenverformungswandler, bei dem jedoch vier auf FETS oder MAGFETS basierende Verformungswandler 804, 808, 812 und 816 auf einem Substrat 800 angeordnet sind, wobei für jeden angrenzenden Wandler deren lange Achsen unter einem Winkel von 45º versetzt ausgerichtet sind. Die Wandler 804, 808, 812 und 816 teilen sich einen gemeinsamen Bondingfleck 820 an einem ihrer Enden, sie haben jedoch getrennte Bondingflecken 824, 828, 832 und 836 jeweils an ihren anderen Enden. Der Rosettenverformungswandler nach der Fig. 11C kann ebenfalls das Verformungsfeld eines Gegenstands messen und bestimmen, an dem er angebracht ist, durch Messung von vier Verformungen (anstelle von drei wie bei der Anordnung nach der Fig. 11B) an einer Stelle auf dem Gegenstand. Die Messung von vier Verformungen schafft eine bessere Auflösung des Verformungsfeldes.
Eine Vielzahl von Rosettenverformungswandleranordnungen kann zum Messen von Verformungsfeldern mit auf FETS oder MAGFETS basierenden Wandlern geschaffen werden, die in verschiedenen Mustern angeordnet sind und aus einem einzigen Substrat gebildet sind.
Die Fig. 12 zeigt einen Verformungswandler, der so aufgebaut ist, daß er die Eigenschaft einer mechanischen Hebelwirkungsverstärkung aufweist. Dieser Wandler enthält einen flexiblen Rahmen 900 mit zwei Bondingflecken 904 und 908 und einem Hebelarm 912, der an einem Ende mit dem Bondingflecken 904 verbunden ist, und an dessen anderem Ende ein lateral abstehender Arm 916 ausgebildet ist mit zwei Fingern 920 und 924, die nach unten parallel zueinander und zu dem Arm 912 vorstehen. Ein Basisarm 928 erstreckt sich von dem Bondingflecken 908 und trifft auf den Hebelarm 912 an einer Drehpunktstelle 932 an einer Position zwischen den Enden des Arme 912. Ein Arm 936 erstreckt sich vom Bondingfleck 908 zu einer Stelle zwischen den Fingern 920 und 924. Eine Kraftfeldemissionsvorrichtung 940 ist an dem freien Ende des Arme 936 angebracht, und zwei Detektorelemente 944 und 948 sind jeweils an den Fingern 920 und 924 angeordnet.
Eine Bewegung der Bondingflecken 904 und 908 voneinander weg oder zueinander hin bewirkt, daß der Hebelarm 912 um seine Drehpunkte 932 und 952 jeweils gegen den Arm 936 hin oder von dem Arm 936 weg schwenkt, so daß die Detektorelemente 944 und 948 sich relativ zu dem Emissionsvorrichtung 940 bewegen. Die Bewegung des Endes des Hebelarms 912, das mit dem Arm 916 verbunden ist, und somit die Bewegung der Detektorelemente 944 und 948 relativ zu dem Emissionsvorrichtung 940 ist eine Verstärkung der Bewegung der Bondingflecken 904 und 908 um einen Wert proportional zu dem Verhältnis aus der Länge des Arms 912 von dem Drehpunkt 952 bis zu dem Arm 916 zu der Länge des Arm 912 von dem Drehpunkt 932 bis zu dem Drehpunkt 952. Je größer dieses Verhältnis ist, umso größer ist die Verstärkung der Bewegung.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Verformung in einem Gegenstand, an dem die Vorrichtung angebracht ist, wobei die Vorrichtung umfaßt:

einen Wandler mit

einem flexiblen Rahmenteil (4) zur Anbringung an den Gegenstand mit einem Paar von im allgemeinen parallen, lasttragenden Balken (8,12), die in Längsrichtung zueinander bewegbar sind, wenn der Gegenstand einer Verformung unterworfen ist, einem oder mehreren Paaren von im Abstand stehenden lateralen flexiblen verbindenden Balken (24), die sich zwischen den lasttragenden Balken erstrecken, einem ersten Vorsprung (28), der an einem der lasttragenden Balken gegen den anderen lasttragenden Balken an einer Stelle zwischen dem verbindenden Balken vorsteht, und einem zweiten Vorsprung (32), der von dem anderen lasttragenden Balken zu dem einen lasttragenden Balken vorsteht und zu der einen Seite des ersten Vorsprungs angeordnet ist;

einer eine Feldkraft erzeugenden Vorrichtung (40), die dem ersten Vorsprung zugeordnet ist; und

einer Nachweisvorrichtung (44), die dem zweiten Vorsprung zum Nachweis des Vorhandenseins der Feldkraft und zum Erzeugen von Signalen zugeordnet ist, die die Kraftfeldstärke und somit den Abstand der Nachweisvorrichtung von der Kraftfeld erzeugenden Vorrichtung darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Rahmenteil (4) mit einem im allgemeinen planaren Profil ausgebildet ist, das eine einzelne Arbeitsoberfläche aufweist, an der die weiteren Elemente des Wandlers angeordnet sind, wobei eingeschlossen ist, daß die Kraftfeld erzeugende Vorrichtung auf der Arbeitsoberfläche des ersten Vorsprungs und die Nachweisvorrichtung auf der Arbeitsoberfläche des zweiten Vorsprungs angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter wenigstens einen zusätzlichen Wandler (604) umfaßt, der zusammen mit dem ersten Wandler (608) aus einem einzigen flexiblen Substrat gebildet ist, wobei die Wandler derart ausgerichtet sind, daß die lasttragenden Balken eines jeden Wandlers nicht parallel zu den lasttragenden Balken eines jeden anderen Wandlers sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei zwei Wandler derart positioniert sind, daß die lasttragenden Balken des einen Wandlers im allgemeinen senkrecht zu den lasttragenden Balken des anderen Wandlers sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei drei Wandler derart positioniert sind, daß die lasttragenden Balken eines jeden Wandlers im allgemeinen unter einem Winkel von 60º in bezug auf die lasttragenden Balken der anderen Wandlers ausgerichtet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei vier Wandler derart positioniert sind, daß die lasttragenden Balken eines jeden Wandlers im allgemeinen unter einem Winkel von 45º in bezug auf die lasttragenden Balken von wenigstens einem angrenzenden Wandler ausgerichtet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rahmenteil einen dritten Vorsprung (36) enthält, der von dem anderen lasttragenden Balken gegen einen lasttragenden Balken auf der anderen Seite des ersten Vorsprungs vorsteht, und wobei der Wandler weiter eine zweite Nachweisvorrichtung (48) umfaßt, die auf der Arbeitsoberfläche des dritten Vorsprungs zum Nachweis des Vorhandenseins eines Kraftfelds zum Erzeugen von Signalen angeordnet ist, die die Kraftfeldstärke und somit den Abstand der zweiten Nachweisvorrichtung von der kraftfelderzeugenden Vorrichtung darstellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die weiter eine anzeigende Vorrichtung (61, 65, 69) umfaßt, die auf die Signale anspricht zum Erzeugen einer Anzeige der relativen Bewegung und des Abstands der ersten und zweiten Nachweisvorrichtung in bezug auf die kraftfelderzeugende Vorrichtung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die anzeigende Vorrichtung eine Differenzmeßvorrichtung (69) zum Erzeugen einer Anzeige der Differenz zwischen dem Abstand der ersten Nachweisvorrichtung von der kraftfelderzeugenden Vorrichtung und dem Abstand der zweiten Nachweisvorrichtung von der kraftfelderzeugenden Vorrichtung umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die kraftfelderzeugende Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes umfaßt, und wobei die erste und zweite Nachweisvorrichtung jeweils einen Feldeffekttransistor umfassen zum Erzeugen einer Ausgabe, die proportional zu dem Abstand des Feldeffekttransistors von der das elektrische Feld erzeugenden Vorrichtung ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die das elektrische Feld erzeugende Vorrichtung einen elektrischen Leiter und eine damit verbundene elektrische Ladungsquelle umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die das elektrische Feld erzeugende Vorrichtung eine Materialschicht und darin verteilte elektrische Ladungen einer Polarität umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Feldeffekttransistoren jeweils einen Sourcebereich, einen Drainbereich, einen zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich angeordneten Kanalbereich und ein angrenzend an den Kanalbereich angeordnetes und davon isoliertes leitfähiges Gate umfassen, wobei alle Elemente eines jedes Feldeffekttransistors jeweils auf dem zweiten und dritten Vorsprung angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Feldeffekttransistoren jeweils einen Sourcebereich, einen Drainbereich, einen zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich angeordneten Kanalbereich, die alle von den Vorsprüngen entfernt angeordnet sind, und ein leitfähiges Gate umfassen, von dem ein Abschnitt jeweils auf dem zweiten und dritten Vorsprung angeordnet ist und von dem ein anderer Abschnitt entfernt davon angrenzend an den Kanalbereich angeordnet ist, wobei die beiden Abschnitte mit einem elektrischen Leiter verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die das Kraftfeld erzeugende Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Feld umfaßt, und wobei die erste und zweite Nachweisvorrichtung jeweils einen magnetischen Feldeffekttransistor mit aufgespaltenem Drain umfassen zum Erzeugen einer Ausgabe, die proportional zum Abstand des Feldeffekttransistors von der magnetfelderzeugenden Vorrichtung ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung ein permanetmagnetisches Element umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die magnetfelderzeugende Vorrichtung ein elektromagnetisches Element umfaßt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die magnetischen Feldeffekttransistoren mit aufgespaltenem Drain jeweils einen sourcebereich, zwei Drainbereiche, einen zwischen dein sourcebereich und den beiden Drainbereichen angeordneten Kanalbereich und ein angrenzend an den Kanalbereich angeordnetes und davon isoliertes leitfähiges Gate umfassen, wobei alle Elemente eines jeden magnetischen Feldeffekttransistors auf jeweils dem zweiten und dritten Vorsprung angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die magnetischen Feldeffekttransistoren mit aufgespaltenem Drain jeweils einen sourcebereich, zwei Drainbereiche, einen zwischen dem sourcebereich und den beiden Drainbereichen angeordneten Kanalbereich, die alle entfernt von den Vorsprüngen angeordnet sind, und ein leitfähiges Gate umfassen, von dem ein Abschnitt auf jeweils dem zweiten und dritten Vorsprung und ein anderer Abschnitt entfernt davon angrenzend an den Kanalbereich angeordnet ist, wobei die beiden Abschnitte durch einen elektrischen Leiter verbunden sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rahmenteil weiter ein Paar von Befestigungsflächen (16, 20) enthält, die jeweils mit verschiedenen lasttragenden Balken an gegenüberliegenden Enden des Rahmenteils verbunden sind, so daß sie im allgemeinen co-planar dazu sind, wobei jede Befestigungsfläche von dem jeweiligen lasttragenden Balken, mit dein die Fläche verbunden ist, zu einer Stelle vorsteht, die zu dem Ende des anderen lasttragenden Balken im Abstand steht und daran angrenzt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Rahmenteil weiter eine Vielzahl von zusätzlich verbindenden Balken (24) enthält, die sich zwischen den lasttragenden Balken an jeder Seite der drei Vorsprünge erstecken, wobei die zusätzlichen verbindenden Balken zueinander im Abstand und im allgemeinen parallel sind, um eine Reihe von Lücken zu jeder Seite der drei Vorsprünge zu bestimmen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Rahmenteil weiter enthält einen oder mehrere zusätzliche Sätze von drei Vorsprüngen (70), wobei ein Vorsprung in jedem Satz von einem lasttragenden Balken zu dem anderen vorsteht und die beiden anderen Vorsprünge in jedem Satz von dem anderen lasttragenden Balken zu dem einen lasttragenden Balken zu beiden Seiten des einen Vorsprungs eines jeden Satzes vorstehen,

eine auf der Arbeitsfläche auf einem Vorsprung eines jeden Satzes angeordnete Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftfelds, das davon ausgeht, und

ein Paar von Nachweisvorrichtungen, die jeweils auf der Arbeitsoberfläche von verschiedenen Vorsprüngen der beiden anderen Vorsprünge eines jeden Satzes zum Nachweisen des Vorhandenseins des Kraftfelds, das von dem einen Vorsprung des Satzes erzeugt wird, und zum Erzeugen von Signalen angeordnet sind, die den Abstand einer jeden Nachweisvorrichtung von der das Kraftfeld erzeugenden Vorrichtung auf dem anderen Vorsprung des Satzes darstellen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Rahmenteil aus einem einzigen monolithischen Stück aus verformbarem Material aufgebaut ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das Materialstück ein Siliziumsubstrat umfaßt, und wobei die Nachweisvorrichtung auf der Arbeitsoberfläche der zweiten und dritten Vorsprünge angeordnet ist.

24. Ein Wandler nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem einzigen monolithischem Körper aus Halbleitermaterial aufgebaut ist.

25. ein Wandler nach Anspruch 24, wobei das Material ein Siliziumeinkristall ist.

26. Ein Wandler nach Anspruch 24, wobei das Material ein Polysiliziumdünnfilm ist.

27. Ein Wandler nach Anspruch 24, wobei das Material Saphir ist.

28. Ein Wandler nach Anspruch 24, wobei das Material Galliumarsenid ist.

29. Ein Wandler nach Anspruch 24, wobei das Material amorphes Silizium ist.

30. Ein Wandler nach Anspruch 1, der weiter eine Gewichtsvorrichtung umfaßt, die auf einem der lasttragenden Balken angeordnet ist.

31. Ein Wandler nach Anspruch 30, wobei der lasttragende Balken im allgemeinen länglich ist und vergrößerte Endbereiche zum Anbringen an die Halterung aufweist.

32. Ein Wandler nach Anspruch 1, wobei die von einem jeweiligen lasttragenden Balken vorstehenden Vorsprünge die Form eines Paares von co-planaren Platten (148, 152) haben, die jeweils von einem verschiedenen Balken zu dem anderen Balken und der Platte vorstehen, wobei die angrenzenden, freien Kanten der Platten im allgemeinen parallel zueinander sind; und wobei die kraftfelderzeugende Vorrichtung eine Vielzahl von Kraftfeldemissionsvorrichtungen (156) umfaßt, die in Längsrichtung entlang einer ihrer Platten in der Nähe ihrer freien Kante im Abstand angeordnet sind zum Erzeugen eines Kraftfelds, dessen Intensität mit zunehmender Nähe zu der Emissionsvorrichtung größer wird; und wobei die Nachweisvorrichtung eine Vielzahl von Kraftfelddetektorelementen (160) umfaßt, die in Längsrichtung entlang der anderen Platte in der Nähe ihrer freien Kante im Abstand derart angeordnet sind, daß für einen bestimmten Bewegungsbereich einer Platte relativ zu der anderen jedes Detektorelement an einem gewissen Punkt in dem Bereich das einzige Element sein wird, dem eine Emissionsvorrichtung direkt gegenüberliegend positioniert ist; wobei der Wandler weiter eine Vorrichtung, die auf die von den Detektorelementen erzeugten Signale anspricht zum Anzeigen der Stärke der Bewegung der Detektorelemente relativ zu den Emissionsvorrichtungen, und ein Paar von Bondingflecken umfaßt, die jeweils mit einem unterschiedlichen Balken an gegenüberliegenden Enden zum Anbringen des Rahmenteils an dem Gegenstand verbunden sind.

33. Ein Wandler nach Anspruch 32, wobei die Kraftfeldemissionsvorrichtungen geladene elektrische Elemente sind, und wobei die Detektorelemente Feldeffekttransistoren sind.

34. Ein Wandler nach Anspruch 32, wobei die Kraftfeldemissionsvorrichtungen Permanentmagneten sind, und wobei die Detektorelemente magnetische Feldeffektwandler mit aufgespaltenem Drain sind.

35. Ein Wandler nach Anspruch 32, wobei die Balken, die Bondingflecken, die verbindenden Balken und die Platten ein einheitliches monolithisches Materialstück umfassen.

36. Ein Wandler nach Anspruch 35, wobei das Material ein Halbleitermaterial ist, und wobei die Emissionsvorrichtungen und die Detektorelemente durch ihre chemische Ablagerungen auf dem Material gebildet werden.

37. Ein Wandler nach Anspruch 32, wobei die Zahl der missionsvorrichtungen und die Zahl der Detektoren sich um eins unterscheidet, wobei die endseitiggelegenen Emissionsvorrichtungen in dem Feld von Emissionsvorrichtungen im allgemeinen den endseitiggelegenen Detektoren in dem Feld von Detektoren gegenüberliegend positioniert sind.

38. Vorrichtung zum Messen der Verformung in einem Gegenstand, auf dem die Vorrichtung angebracht ist, wobei die Vorrichtung umfaßt:

einen Wandler mit

einem flexiblen Rahmenteil (4) zur Anbringung an den Gegenstand mit einem Paar von lasttragenden, im Abstand stehenden, in allgemeinen parallelen Balken (80, 84);

einem Paar von Armen (96, 100), die jeweils von verschiedenen Balken zu einer Position vorstehen, die parallel zu und Seite an Seite zu dem anderen Arm ist;

einer ein Kraftfeld erzeugenden Vorrichtung (104), die dem Arm (96) des einen Balkens zugeordnet ist;

einer Nachweisvorrichtung (108), die dem anderen Arm (100) des anderen Balkens zum Nachweisen des Vorhandenseins des Kraftfelds und zum Erzeugen von die Kraftfeldstärke darstellenden Signalen zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Rahmenteil (4) mit einem im allgemeinen planaren Profil ausgebildet ist, das eine einzige Arbeitsoberfläche aufweist, auf der weitere Elemente des Wandlers angeordnet sind; und

daß die Kraftfeld erzeugende Vorrichtung (104) eine Vielzahl von Kraftfeldemissionsvorrichtungen umfaßt, die auf der Arbeitsoberfläche auf dem Arm und in Längsrichtung im Abstand angeordnet sind, von denen jede zur Erzeugung eines Kraftfelds vorgesehen ist, dessen Intensität größer ist mit zunehmender Nähe zu der Emissionsvorrichtung; und

daß die Nachweisvorrichtung (108) eine Vielzahl von Kraftfelddetektorelementen umfaßt, die auf der Arbeitsoberfläche des anderen Arms und in Längsrichtung im Abstand derart angeordnet sind, daß für einen bestimmten Bewegungsbereich des einen Arms relativ zu dem anderen jedes Detektorelement an einem gewissen Punkt in dem Bereich das einzige Element sein wird, das direkt eine Emissionsvorrichtung gegenüber angeordnet ist; und daß weiter vorgesehen ist:

eine auf die von den Detektorelementen erzeugten Signale ansprechende Vorrichtung zum Anzeigen der Größe der Bewegung des Detektorelements relativ zu den Emissionsvorrichtungen; und daß

das Paar von lasttragenden Balken jeweils einen Bondingflecken (88, 92) enthält, die sich an gegenüberliegend gelegenen Enden eines jeden Balken zu dem anderen Balken erstrecken, zum Anbringen der Balken an dem Gegenstand.

39. Ein Wandler nach Anspruch 38, der weiter ein oder mehrere lateral flexible verbindende Teile umfaßt, die sich zwischen den beiden Balken erstrecken und mit diesen verbunden sind, um zu ermöglichen, daß die beiden Balken in Längsrichtung relativ zueinander bewegbar sind.

40. Ein Wandler nach Anspruch 39, wobei die Kraftfeldemissionsvorrichtungen aufgeladene elektrische Elemente sind, und wobei die Nachweiselemente Feldeffekttransistoren sind.

41. Ein Wandler nach Anspruch 39, wobei die Kraftfeldemissionsvorrichtungen Permanetmagneten sind, und wobei die Detektorelemente magnetische Feldeffektwandler mit aufgespaltenen Drain sind.

42. Ein Wandler nach Anspruch 39, wobei die Balken und die verbindenden Teile ein einheitliches monolithisches Materialstück umfassen.

43. Ein Wandler nach Anspruch 42, wobei das Material ein Halbleitermaterial ist, und wobei die Emissionsvorrichtungen und die Detektorelemente durch ihre chemische Ablagerung auf dem Material gebildet sind.

44. Ein Wandler nach Anspruch 39, wobei die Anzahl von Emissionsvorrichtungen und die Anzahl von Detektoren sich um eins unterscheidet, und wobei die endseitigen Emissionsvorrichtungen des Feldes von Emissionsvorrichtungen im allgemeinen den entsprechenden endseitigen Detektoren in dem Feld von Detektoren gegenüberliegend angeordnet sind.

45. Ein Kraftwandler mit

einem ringförmigen Rahmen (300) von ebener Form,

einer zentralen Nabe (312), die co-planar innerhalb des Rahmens angeordnet ist, um sich im allgemeinen in dessen Ebene und bezüglich des Rahmens zu bewegen, wenn sie einer Kraft unterworfen wird,

einer flexiblen Federvorrichtung (316), über die die Nabe mit dem Rahmen in Verbindung steht, um die Nabe innerhalb des Rahmens zu halten und deren Bewegung relativ zu dem Rahmen zu erlauben,

einer Vorrichtung (320), die an der Nabe zum Erzeugen eines Kraftfelds angeordnet ist, das nach außen zu dem Rahmen hin ausgeht, und

einer Nachweisvorrichtung (302), die an dem Rahmen angebracht ist, zum Nachweisen einer Veränderung der Intensität des Kraftfelds und somit der Bewegung der das kraftfelderzeugenden Vorrichtung innerhalb des Rahmens.

46. Ein Kraftwandler nach Anspruch 45, wobei die das kraftfelderzeugende Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Felds umfaßt, und wobei die Nachweisvorrichtung einen oder mehrere Feldeffektransistoren umfaßt.

47. Ein Kraftwandler nach Anspruch 45, wobei die kraftfelderzeugende Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Felds umfaßt, und wobei die Nachweisvorrichtung einen oder mehrere magnetische Feldeffekttransistoren mit aufgespaltenem Drain umfaßt.

48. Ein Kraftwandler nach Anspruch 45, wobei die Nachweisvorrichtung eine Vielzahl von Nachweiselementen umfaßt, die im Abstand entlang des Umfangs am Rahmen angeordnet sind, von denen jedes zum Erzeugen eines Signals vorgesehen ist, das den Abstand zwischen der kraftfelderzeugenden Vorrichtung und dem Nachweiselement anzeigt.

49. Ein Kraftwandler nach Anspruch 48, wobei die kraftfelderzeugende Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes umfaßt, und wobei jedes Nachweiselement einen Feldeffekttransistor umfaßt mit einem Sourcebereich, einem Drainbereich, einem zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich gelegenen Kanalbereich und einem leitfähigen Gate, von dem wenigstens ein Abschnitt angrenzend an dem Kanalbereich und davon isoliert angeordnet ist, und von dem wenigstens ein weiterer Abschnitt in einem krummlinigen Segment ausgebildet ist, das an dem Rahmen angeordnet ist.

50. Ein Kraftwandler nach Anspruch 48, wobei die Kraftfeld erzeugende Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Felds umfaßt, und wobei jedes Nachweiselement einen magnetischen Feldeffekttransistor mit aufgespaltenem Gate umfaßt, der einen sourcebereich, zwei Drainbereiche, einen zwischen dem sourcebereich und den beiden Drainbereichen angeordneten Kanalbereich und ein leitfähiges Gate aufweist, von dem wenigstens ein Abschnitt angrenzend an den Kanalbereich und davon isoliert angeordnet ist, und von dem wenigstens ein weiterer Abschnitt als ein krummliniges Segment ausgebildet ist, das an dem Rahmen angeordnet ist.

51. Ein Hebelwirkungswandler zum Messen einer Verformung in einem Gegenstand, auf dem der Wandler angebracht ist, wobei der Wandler umfaßt:

eine flexibles im allgemeinen planares Rahmenteil mit einer einzigen Arbeitsoberfläche, auf der die weiteren Elemente des Wandlers angeordnet sind, wobei das Rahmenteil enthält erste und zweite im Abstand stehende Bondingflecken (904, 908) zur Anbringung an dem Gegenstand, einen Hebelarm (912), der zwischen den Bondingflecken angeordnet ist und sich von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende im allgemeinen senkrecht zu einer sich zwischen den Flecken ersteckenden gedachten Linie erstreckt, einen das erste Ende des Hebelarms mit dem ersten Bondingflecken verbindenden Arm, einen zwischen dem zweiten Bondingflecken und dem Hebelarm sich erstreckenden Basisarm, der mit dem Hebelarm an einer Stelle zwischen den ersten und zweiten Enden und näher zu dem ersten Ende verbunden ist, einen sich lateral von dem zweiten Ende des Hebelarms erstreckenden Unterstützungsarm, der wenigstens einen zu dem Basisarm vorstehenden Vorsprung enthält, und einen Nullarm, der sich von dem zweiten Bondingflecken zu einem freien Ende erstreckt, das neben, jedoch im Abstand von dem Vorsprung gelegen ist,

einer Vorrichtung (940), die auf der Arbeitsoberfläche des freien Endes des Nullarms (916) zum Erzeugen eines Kraftfelds angeordnet ist, das davon ausgeht und das sich in seiner Stärke verringert, je größer der Abstand von der kraftfelderzeugenden Vorrichtung ist, und

einer Nachweisvorrichtung (944), die auf der Arbeitsoberfläche des Vorsprungs ausgebildet ist, zum Nachweisen des Vorhandenseins eines Kraftfelds und zum Erzeugen von Signalen, die die Kraftfeldstärke und somit den Abstand der Nachweisvorrichtung von der kraftfelderzeugenden Vorrichtung darstellen.