WO2007062813A1 - Dehnungsmessstreifen - Google Patents

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WO2007062813A1
WO2007062813A1 PCT/EP2006/011434 EP2006011434W WO2007062813A1 WO 2007062813 A1 WO2007062813 A1 WO 2007062813A1 EP 2006011434 W EP2006011434 W EP 2006011434W WO 2007062813 A1 WO2007062813 A1 WO 2007062813A1
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layer
strain gauge
carrier layer
measuring grid
measuring
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PCT/EP2006/011434
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Hagen Ruppin
Werner Breitwieser
Astried Abraham
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Hottinger Baldwin Messtechnik Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges

Definitions

  • the invention relates to a strain gauge with a carrier layer on which a measuring grid is arranged and a Meß bodinaufillon with such a strain gauge.
  • Strain gauges are used as transducers for the electrical measurement of strains. From the strain, the material tension can be calculated according to methods of strength theory. Depending on the size to be measured and the area of application, different strain gage types are used, whereby the strain gauges are applied to the measuring point by gluing or other methods.
  • strain gauges can be classified according to different manufacturing processes. Known are, inter alia, the so-called strain gauges in
  • Thin-film technique wherein the strain gauge element is vapor-deposited on a measuring body.
  • film strain gauges In the production of film strain gauges, a meandering measuring grid is produced by etching from a very thin metal foil on a photolithographic path. This measuring grid is then connected by gluing to an insulating carrier layer of an organic material.
  • carrier layer materials of epoxy resin, phenolic resin, polyimide, polyphenylene sulfide, polyaryletherketone, etc. are used (DE 42 36 981 Cl). Strain gauges or the measuring points are subject to a variety of environmental influences depending on the size to be measured and the application areas.
  • strain gauges For protection against moisture, it is known from the prior art to protect the strain gauges with moisture-resistant covers.
  • a strain gauge is known for example from DE-OS 27 89 26.
  • This strain gage applied to a sensor is coated with an electrically insulating layer, e.g. covered in a resin.
  • a metal layer is then applied over the resin layer, so that a moisture-proof hermetic encapsulation of the measuring point is achieved.
  • strain gauge is also known, which is already provided in the production with a cover of an insulating material and another layer in the form of a diffusion-inhibiting metallic foil.
  • Object of the present invention is to provide a
  • the carrier layer is formed by a metal foil of, for example, aluminum, copper, titanium or alloys such as steel, Konstantan.
  • the inventively designed strain gauge consists of a carrier layer of a metal foil which is connected to the measuring grid by a thin insulating adhesive layer.
  • the use of a metal foil as a carrier layer ensures that the carrier layer does not absorb any moisture and thus resistance changes due to source effects are eliminated. As a result, a strain gauge is produced, which has a zero constancy even with moisture influence and thus has a high measurement accuracy.
  • metal foils are available with a thickness of 2.5 - 15 microns and thus in comparison to carrier layers made of plastics very thin carrier layers can be used. As a result, a more direct measured value transmission and thus a more stable and accurate measurement result can be achieved.
  • a further advantage of the strain gauge according to the invention is that the metal foil of the carrier layer can be adapted to the material of the measuring sensor and the material of the measuring grid, whereby an overall higher accuracy and stability of a Meßdorfnauf philosophicals can be realized with strain gauges.
  • the metal foil of the carrier layer and the material of the measuring grid made of the same material would be used, so that the coefficient of expansion of the carrier layer, the measuring grid and the Meßdorfnauf choirs ideally equal or largely the same.
  • the bond between the carrier layer and the measuring grid or the carrier layer, the measuring grid and the covering layer is produced by a heat pressure process (laminated).
  • Difference of the thermal expansion coefficients of the two materials is ideally zero or as low as possible.
  • FIG. 1 shows a strain gauge according to the invention in a sectional view.
  • FIG. 2 shows another embodiment of an inventive strain gauge in a sectional view 1 shows a strain gauge 1 according to the invention in cross-section, which consists essentially of a carrier layer 2 and a measuring grid 3.
  • the carrier layer 2 is a metal foil of, for example, aluminum, copper, titanium, alloys such as constantan, steel, chromium / nickel alloys or others.
  • the metal foil preferably has a thickness of 2.5-15 ⁇ m.
  • the measuring grid 3 with a meandering formed formed element, e.g. made of a thin metallic layer of electrically conductive material. The ends of the meander-shaped element are connected via non-illustrated connection areas with an evaluation circuit in the form of e.g. a Wheatstone bridge circuit connected.
  • the measuring grid 3 is from the
  • Metal layer for example, structured photolithographically, wherein the measuring grid 3 and the support layer 2 are fixedly connected by an adhesive layer 4.
  • adhesives usually adhesives are used on Epoxydharz-, or phenolic resin-based.
  • the adhesive layer 4 is preferably 3-5 / cm thick.
  • the carrier layer 2 with measuring grid 3 is covered by means of a covering layer 5 made of a thin metal layer.
  • the carrier layer 2 with measuring grid 3 and the cover layer 5 are also firmly connected to each other by an adhesive layer 6.
  • the bonding between the carrier layer 2 and the measuring grid 3 or the carrier layer 2, the measuring grid 3 and the covering layer 5 takes place by means of a heat pressure process (laminated).
  • the strain gauge 1 can also be applied to the Meß bodinaufrent not shown (for example, a load cell).

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Abstract

Ein Dehnungsmessstreifen mit einem auf einer Trägerschicht angeordneten Messgitter, soll derart weitergebildet werden, dass der Feuchteeinfluss eine hohe Messgenauigkeit vor allem hohe Linearität und optionales Kriechverhalten aufweist. Die wird dadurch erreicht, dass die Trägerschicht (2) durch eine Metallfolie aus beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan oder Legierungen z.B. Stahl, Konstantan, Chrom/Nickel-Legierungen gebildet ist.

Description

Dehnungsmessstreifen
Die Erfindung betrifft einen Dehnungsmessstreifen mit einer Trägerschicht, auf welcher ein Messgitter angeordnet ist sowie ein Messgrößenaufnehmer mit einem solchen Dehnungsmessstreifen .
Dehnungsmessstreifen werden als Messwertaufnehmer für die elektrische Messung von Dehnungen eingesetzt. Aus der Dehnung kann nach Methoden der Festigkeitslehre die MaterialSpannung berechnet werden. In Abhängigkeit mit der zu messenden Größe und des Einsatzgebietes werden unterschiedliche Dehnungsmessstreifen-Typen eingesetzt, wobei die Dehnungsmessstreifen durch Klebung oder andere Verfahren auf die Messstelle appliziert werden.
Die Dehnungsmessstreifen können nach unterschiedlichen Herstellungsverfahren eingeteilt werden. Bekannt sind unter anderem die sogenannten Dehnungsmessstreifen in
Dünnfilmtechnik, wobei das Dehnungsmessstreifen-Element auf einen Messkörper aufgedampft wird. Weiterhin bekannt sind die sogenannten Folien-Dehnungsmessstreifen. Bei der Herstellung von Folien-Dehnungsmessstreifen wird aus einer sehr dünnen Metallfolie auf fotolithographischem Wege ein mäanderförmiges Messgitter durch Ätzen hergestellt. Dieses Messgitter wird dann durch Verkleben mit einer isolierenden Trägerschicht aus einem organischen Material verbunden. Als Trägerschichten werden je nach Verwendung und Anforderung Trägerschichtmaterialien aus Epoxydharz, Phenolharz, Polyimid, Polyphenylensulfid, Polyaryletherketon usw. eingesetzt (DE 42 36 981 Cl) . Dehnungsmessstreifen bzw. die Messstellen sind in Abhängigkeit der zu messenden Größe und der Anwendungsgebiete einer Vielzahl von Umwelteinflüssen ausgesetzt. Feuchtigkeit ist dabei neben der Temperatur ein wesentlicher Grund für instabile Dehnungsmessstreifen-Messstellen. In Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchtigkeit quillt bzw. schrumpft die mit dem Messgitter verbundene Trägerschicht, wobei dieser Feuchteeinfluss je nach Trägerschichtmaterial (oben aufgeführt) eine unterschiedlich große Auswirkung hat. Diese Feuchtigkeitseinwirkungen führen somit unmittelbar zu Widerstandsänderungen und damit zu unkontrollierbaren NuIlpunktveränderungen .
Zum Schutz vor Feuchtigkeit ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Dehnungsmessstreifen mit feuchteunempfindlichen Abdeckungen zu schützen. Ein derartiger Dehnungsmessstreifen ist beispielsweise aus der DE-OS 27 89 26 bekannt. Dieser auf einem Messgrößenaufnehmer applizierte Dehnungsmessstreifen wird mit einer elektrisch isolierenden Schicht z.B. einem Harz überzogen. Über die Harzschicht wird dann eine Metallschicht aufgebracht, so dass eine feuchtigkeitsdichte hermetische Kapselung der Messstelle erzielt wird.
Aus der EP 0 667 514 ist weiterhin ein Dehnungsmessstreifen bekannt, der bereits bei der Herstellung mit einer Abdeckung aus einem isolierenden Material sowie einer weiteren Schicht in Form eine diffusionshemmenden metallischen Folie versehen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen
Dehnungsmessstreifen sowie einen Messgrößenaufnehmer mit Dehnungsmessstreifen zu schaffen, der insbesondere unter Feuchteeinfluss eine hohe Messgenauigkeit vor allem hohe Linearität und optimales Kriechverhalten aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Trägerschicht durch eine Metallfolie aus beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan oder Legierungen z.B. Stahl, Konstantan gebildet ist.
Der erfindungsgemäß ausgestaltete Dehnungsmessstreifen besteht aus einer Trägerschicht aus einer Metallfolie welche mit dem Messgitter durch eine dünne isolierende Klebeschicht verbunden ist. Bei dem Einsatz einer Metallfolie als Trägerschicht wird gewährleistet, dass die Trägerschicht keine Feuchtigkeit aufnimmt und damit Widerstandsänderungen durch Quelleffekte ausgeschaltet werden. Hierdurch wird ein Dehnungsmessstreifen hergestellt, der auch bei Feuchteeinfluss eine Nullpunktkonstanz aufweist und somit eine hohe Messgenauigkeit hat .
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Metallfolien mit einer Dicke von 2,5 - 15 μm verfügbar sind und somit im Vergleich zu Trägerschichten aus Kunststoffen sehr dünne Trägerschichten einsetzbar sind. Hierdurch ist eine direktere Messwertübertragung und somit ein stabileres und exakteres Messergebnis erzielbar.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass die Metallfolie der Trägerschicht dem Material des Messgrößenaufnehmers und dem Material des Messgitters angepasst werden kann, wodurch eine insgesamt höhere Genauigkeit und Stabilität eines Messgrößenaufnehmers mit Dehnungsmessstreifen verwirklicht werden kann.
Bei einem Messgrößenaufnehmer aus Aluminium würde die Metallfolie der Trägerschicht sowie das Material des Messgitters aus dem gleichen Material verwendet, so dass der Ausdehnungskoeffizient der Trägerschicht, des Messgitters und des Messgrößenaufnehmers im Idealfall gleich bzw. weitgehend gleich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verklebung zwischen Trägerschicht und Messgitter bzw. der Trägerschicht, dem Messgitter und der Abdeckschicht durch einen Wärmedruckprozess (kaschieren) erzeugt wird.
Wie oben bereits erläutert, wird man bei der Herstellung des Dehnungsmessstreifens das Material der Trägerschicht und das
Material des Messgitters derart auswählen, dass der
Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien im Idealfall Null bzw. möglichst gering ist.
Beim Kaschierprozess wird somit die Ausdehnung der Materialien (Trägerschicht / Messgitter) beim Erwärmen und anschließenden
Abkühlen weitgehend gleich sein.
Hierdurch ist eine glattliegende spannungsfreie Kaschierung herstellbar.
Anhand der in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen wird der Erfindungsgegenstand näher beschrieben.
Es zeigt :
Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen in Schnittdarstellung.
Fig. 2: eine weitere Ausführungsform eines erfindergemäßen Dehnungsmessstreifens in Schnittdarstellung Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Dehnungsmessstreifen 1 im Querschnitt, der im wesentlichen aus einer Trägerschicht 2 und einem Messgitter 3 besteht.
Die Trägerschicht 2 ist eine Metallfolie aus beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan, Legierungen wie Konstantan, Stahl, Chrom/Nickel -Legierungen oder anderen. Die Metallfolie hat dabei vorzugsweise eine Dicke von 2,5 - 15 μm . Auf diese Trägerschicht 2 ist das Messgitter 3 mit einem mäanderförmig angeordneten ausgebildeten Element z.B. aus einer dünnen metallischen Schicht elektrisch leitenden Materials angebracht. Die Enden des mäanderförmig angebrachten Elementes sind über nichtdargestellte Anschlussbereiche mit einer Auswerteschaltung in Form von z.B. einer Wheatstonschen Brückenschaltung verbunden. Das Messgitter 3 wird aus der
Metallschicht beispielsweise fotolitographisch strukturiert, wobei das Messgitter 3 und die Trägerschicht 2 durch eine Klebeschicht 4 fest verbunden sind. Als Klebstoffe werden meist Klebstoffe auf Epoxydharz-, oder Phenolharzbasis eingesetzt. Die KlebstoffSchicht 4 ist vorzugsweise 3-5/zmdick.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (dargestellt in Figur 2) ist vorgesehen, dass die Trägerschicht 2 mit Messgitter 3 mittels einer Abdeckschicht 5 aus einer dünnen Metallschicht abdeckt wird. Die Trägerschicht 2 mit Messgitter 3 und die Abdeckschicht 5 werden ebenfalls durch eine Klebeschicht 6 fest miteinander verbunden.
Die Verklebung zwischen der Trägerschicht 2 und dem Messgitter 3 bzw. der Trägerschicht 2, dem Messgitter 3 und der Abdeckschicht 5 erfolgt durch einen Wärmedruckprozess (kaschieren) . Auf gleiche Weise kann der Dehnungsmessstreifen 1 auch am nicht dargestellten Messgrößenaufnehmer (beispielsweise einer Wägezelle) appliziert werden.

Claims

DehnungsmessstreifenPatentansprüche
1. Dehnungsmessstreifen mit einem auf einer Trägerschicht angeordneten Messgitter, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) durch eine Metallfolie aus beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan oder Legierungen z.B. Stahl, Konstantan, Chrom/Nickel -Legierungen gebildet ist.
2. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, wobei eine das Messgitter (3) abdeckende Abdeckschicht (5) vorgesehen ist, die durch eine Metallfolie beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Kupfer, Titan oder Legierungen beispielsweise Konstantan gebildet ist.
3. Dehnungsmessstreifen nach Anspruch 1, wobei eine das Messgitter (3) abdeckende Abdeckschicht (5) vorgesehen ist, die durch eine Folie aus einem anorganischen
Material beispielsweise Glas oder Keramik gebildet ist.
4. Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Verbund zwischen Trägerschicht (2) und Messgitter (3) bzw. zwischen Messgitter (3),
Trägerschicht (2) und Abdeckschicht (5) durch Verkleben hergestellt ist.
5. Dehnungsmessstreifen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerschicht (2) und das Messgitter (3) sowie ggf. die Abdeckschicht (5) aus dem gleichen Material gebildet sind.
6. Messgrößenaufnehmer mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen mit einem auf einer Trägerschicht angeordnetem Messgitter, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) des Dehnungsmessstreifens (1,1') und gegebenenfalls eine das Messgitter (3) abdeckende Abdeckschicht (5) durch eine Metallfolie aus beispielsweise Aluminium, Kupfer, Titan bzw. Legierungen wie Konstantan, Stahl usw. gebildet ist.
PCT/EP2006/011434 2005-12-01 2006-11-29 Dehnungsmessstreifen WO2007062813A1 (de)

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