[发明专利]用于以电方式测量力的装置

说明书

本发明涉及一种用于以电方式测量力F的装置，其至少在两个压紧的金属电极(1)和金属电极(3)之间作用，其特征在于，金属电极由硬质合金、钢或在陶瓷体、玻璃体或塑料体上的低欧姆金属层构成，具有在几毫欧姆至小于等于十欧姆的范围内的电阻和小于等于400纳米的平均粗糙度R_a，金属电极在接触面处具有不依赖于力的传导能力，并且在等于、小于金属电极(1)和金属电极(3)的千分之0.1的范围内的最小相对变形的情况下，力直接作用到形状锁合地布置在金属电极(1)和金属电极(3)之间的绝缘薄层(2)上或多分层绝缘薄层(2)上，绝缘薄层或多分层绝缘薄层由氧化锌或随机还原的氧化铝Al₂O_x，其中x＝2.4至x＝2.8，或碳化硅或DLC层[类金刚石碳]构成，并且不依赖于待测量的力流地布置且在紧固元件(5)的恒定的保持力下固定的参考金属电极(4)通过具有正好相同的物理特性的结构相同的绝缘薄层(2)或多分层绝缘薄层(2)以电方式作用到金属电极(3)上，从而使得金属电极(3)和金属电极(4)之间的绝缘薄层在恒定的按压力下的这个参考电阻被用于对作为半桥或全桥的测量设施的完全的温度补偿，其中，在串联电路中的电流通路上，高精度的电源(6)的限定的电流经过金属电极(1)、经过绝缘薄层(2)流向金属电极(3)，经过绝缘薄层(2)流向金属电极(4)，从而经由绝缘薄层在金属电极(1)和金属电极(3)之间下降了依赖于力的电压(8)并且在参考的绝缘薄层(2)的金属电极(3)和金属电极(4)之间下降了参考电压(9)，它们的电压比不依赖于温度，其中，测量桥的产生的桥电压或直接测得的电压比不依赖于以电方式测量力的装置的运行温度地限定了针对作用力的连续的、高分辨率的并且能准确描述且能重复的函数。

技术领域

本发明涉及用于以电方式测量建立在至少两个金属电极之间的力的装置，其中，至少一个绝缘薄层用作传感器元件，它的传导能力描述了作用的力的单义的(eindeutig)能准确反馈的函数。

本发明普遍性地涉及测力技术领域，其中，相对现有技术达到新型的应用多样性，其方法是，提供了力传感器的没有变形体的经简化的结构。在此，至少一个或多个均匀的绝缘薄层在机械的力传递元件的平坦面或自由成形面上的施装作为设计特征，从而在电绝缘的力传递元件和金属电极之间能实现传感器结构，其直接且在这些元件没有值得注意的变形的情况下在给定的电流下产生形式为与力有关的电压变化的电信号，该电信号描述了用于在直接的机械和电的路径上作用的力的一对一的(eineindeutig)高分辨率的且连续的图。

视所选择的绝缘薄层而定地，以及以微型化的结构形式，也就是说在低于用于在毫牛顿范围内力测量的一立方毫米的结构空间内以及此外在牛顿至兆牛顿范围内以任意大的宏观结构形式通过这种工艺能提供具有高耐热性的传感器，其中，视测量任务而定地，具有所施装的绝缘薄层的机械的力传递元件的任意的几何造型实现了在结构空间、力作用方向和机械转化比方面的自由选择。

例如通过自由选择内截锥体和外截锥体(在其外锥周侧面上施装有绝缘薄层)的锥体斜度，能自由地在设计上选择待达到的测量敏感度，其中，视几何造型而定地使拉力传感器或压力传感器变得可能。在力传感器的机械的和电的设计中的另一自由度是施装在力传递元件上的绝缘薄层或层系统的原料选择、结构和化学成分，其中，绝缘薄层的耐热性、测量敏感度视测量任务的要求而定地能自由选择。多个力传感器的微型化的以及更大的组合借助绝缘薄层在组合式传感器单元的实施方案中的设计也是可行的，以便例如无相互作用地在空间内检测在3个空间维度，即宽度(x分量)、高度(y分量)、深度(z分量)方面的力作用和力方向。

背景技术

通常由现有技术和已经在1920年公知的第一批公开文本充分公知了压阻效应。压阻效应描述了材料由于高的外部的力作用或压力作用导致的电阻变化。在所有轻微导电直至强烈导电的材料中都出现了这一效应，但半导体的压力敏感度相对于金属却高了很多倍。原则上确定的是，与由于外部的力作用导致的电阻变化相关的该压力敏感度可以得到提高，其方法是，在半导体中，单晶体的定向(这意味着电流方向)以及在载体材料中掺杂以杂质原子被有针对性地调整。