Untersuchungen an Silizium-Verformungskörpern für die Anwendung in der Präzisions-Kraftmess- und Wägetechnik

摘要

Konventionelle Wägezellen (WZ) mit Dehnungsmessstreifen (DMS) erreichenmaxi-mal 6.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Damit sind sieauf Einsatz-bereiche geringer bis mittlerer Präzision beschränkt.In dervorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Sensor, basierend auf derTechnolo-gie der DMS-WZ, für den Einsatzbereich hoher Präzision entwickeltund untersucht. Der Sensor besteht aus einem einkristallinenSilizium-Federkörper (Si-FK) mit Dünn-schicht-DMS. Da sich einkristallinesSi bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten undHysterese des Si-FKs vernachlässigbar gering. Die Applika-tion der DMSmittels Dünnschichtverfahren führt zu einer direkten Verbindung zwi-schenFK und DMS. Aus diesem Grund sind die Zeitabhängigkeiten während derDehnungsübertragung vom FK zum DMS im Vergleich zu konventionellenKlebever-fahren erheblich reduziert und die Reproduzierbarkeit derDehnungsmessung ist deutlich erhöht.Die mechanischen Eigenschaften derSi-FK werden neben der Geometrie maßgeb-lich von der Orientierung desanisotropen Si im FK bestimmt. Numerische Berech-nungen mit der FinitenElemente Methode führten zu einer für Si optimierten FK-Geometrie undzeigten die Einflüsse verschiedener Orientierungen des Si. Weiterhin wurdeeine geeignete Einspannung des FKs entwickelt, die einenvernachlässigba-ren Einfluss auf das Dehnungsverhalten im Bereich der DMSaufweist.Zur Erforschung des last- und zeitabhängigen Verhaltens der Si-WZ,wurden fünf Si-WZ gleicher Geometrie hergestellt und experimentelluntersucht. Die Untersuchun-gen erfolgten im Temperaturbereich von ­10°Cbis 40°C.Das Zeitverhalten des Messsignals der Si-WZ nach Lastwechselnunter konstanten Randbedingungen wurde im Vergleich zu konventionellenDMS-WZ deutlich verbes-sert. Die relative Änderung des Messsignalsinnerhalb der ersten zehn Minuten be-trug nur 2•10-5 für Si-WZ. ZehnMinuten nach den Lastwechseln waren keine weite-ren Zeitabhängigkeitenfeststellbar.Die Kennlinien der Si-WZ zeigten im Vergleich zukonventionellen DMS-WZ um mehr als eine Größenordnung verbesserteEigenschaften bezüglich Hysterese, Null-punktsverhalten undReproduzierbarkeit der Messwerte. Die Nichtlinearität war ver-gleichbar mitderer konventioneller DMS-WZ und muss beim Einsatz der Si-WZ in Bereichenmit hohen Anforderungen an die Präzision kompensiert werden.Zur Bewertungdes Einsatzbereiches der Si-WZ, wurden die Messdaten bezüglichNichtlinearität und Temperaturverhalten digital kompensiert und inAnlehnung an die internationale OIML-Empfehlung R60, zur Prüfung von WZ füreichpflichtige Anwen-dungen, ausgewertet. Die anhand der Kriech- undRichtigkeitsprüfung bewerteten Si-WZ erreichten mehr als 30.000Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen.Die vorliegende Arbeit zeigt,dass Si-WZ mit Dünnschicht-DMS unter Anwendung digitalerKompensationsverfahren für den Einsatzbereich hoher Präzision in der Wä-ge-und Kraftmesstechnik bestens geeignet sind.