1 Überblick über die Sensorik

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146 4.1 Resistive Kraft- und Drucksensoren 4.1.2 Metallfolien-Dehnungsmeßstreifen 147
keit, die nur bis ca. 120 o C gewährleistet werden kann.
Bei Kraftaufnehmern und Wägezellen (Bild 4.1.2-6) kann mit Foliendehnungsmeßstreifen
nach dem heutigen Stand der Technik eine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden,
wobei eine Auflösung im ppm-Bereich (10 -6 ) erreicht wird. Bei neueren Entwicklungen
werden aber zusätzliche Anforderungen gestellt, die nicht ohne weiteres von Metallfolien-DMS
erfüllt werden können:
– die DMS müssen hochohmiger werden (> 6 kΩ) für eine 4 – 20 mA Zweileitertechnik
(s. Abschnitt 3.3.6)
– die Forderung nach einer Miniaturisierung (Verkleinerung) der Sensoren erfordert
neue höher entwickelte Lithographietechniken
– bei sehr dünnen Federkörpern (z.B. Druckmembranen für kleine Drücke) führt ein
aufgeklebtes DMS zu einem veränderten elastischen Verhalten
– höhere Stabilität bei Aufnehmern, die nicht hermetisch gekapselt werden können.
Diese Anforderungen werden besser erfüllt von Dehnungsmeßstreifen, die über Dünnschichttechniken
(meistens Sputterverfahren, s. Band 2, Abschnitt 8.2.3) direkt auf
dem elektrisch isolierten Federkörper aufgebracht werden. Die Strukturierung erfolgt
über einen hochauflösenden Photolithographieprozeß (Band 2, Abschnitt 8.2.6), wobei
die Lage der DMS auf dem Federkörper exakt eingestellt werden kann, und anschließendes
Ätzen (Band 2, Abschnitt 8.2.7).
Dünnschicht-DMS haben den großen Vorteil, daß sie – im Gegensatz zu Folien-DMS –
die mechanischen Eigenschaften einer dünnen Membran wenig ändern. Auf diese Weise
können auch genaue Drucksensoren für niedrige Druckbereiche hergestellt werden,
die grundsätzlich dünnere Membranen erfordern. Bei Einsatz von Folien-DMS liegt eine
praktikable untere Grenze für den realisierbaren Druckbereich bei ca. 5 bar [4.1].
Als Werkstoffe für Metalldünnfilm-Dehnungsmeßstreifen werden Chrom-Silizium
[4.1]-, Chrom-Nickel[4.4]-, Platin-Iridium[4.5]- und weitere Legierungen eingesetzt.
Die Isolation zum Federkörper erfolgt in der Regel mit SiO 2 - und Al 2 O 3 -Dünnschichten.
Ein grundsätzlicher Nachteil der Dünnschichttechnik besteht in den hohen Herstellungskosten,
die in der Dickschichttechnologie (Band 1, Abschnitt 4.2.1) deutlich
niedriger liegen. Geeignete Pasten sind z.B. für Platin-Iridium-Legierungen verfügbar.
Wegen der hohen Einbrenntemperaturen (z.B. 850 o C) ist diese Technik insbesondere
für keramische Federkörper geeignet [4.5].
Bild 4.1.2-5
Beispiele für Meßgitter metallischer Kunststoffolien-Dehnungsmeßstreifen