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

Mäuselein, Sascha GND

Konventionelle Wägezellen (WZ) mit Dehnungsmessstreifen (DMS) erreichen maxi-mal 6.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Damit sind sie auf Einsatz-bereiche geringer bis mittlerer Präzision beschränkt.In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Sensor, basierend auf der Technolo-gie der DMS-WZ, für den Einsatzbereich hoher Präzision entwickelt und untersucht. Der Sensor besteht aus einem einkristallinen Silizium-Federkörper (Si-FK) mit Dünn-schicht-DMS. Da sich einkristallines Si bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese des Si-FKs vernachlässigbar gering. Die Applika-tion der DMS mittels Dünnschichtverfahren führt zu einer direkten Verbindung zwi-schen FK und DMS. Aus diesem Grund sind die Zeitabhängigkeiten während der Dehnungsübertragung vom FK zum DMS im Vergleich zu konventionellen Klebever-fahren erheblich reduziert und die Reproduzierbarkeit der Dehnungsmessung ist deutlich erhöht.Die mechanischen Eigenschaften der Si-FK werden neben der Geometrie maßgeb-lich von der Orientierung des anisotropen Si im FK bestimmt. Numerische Berech-nungen mit der Finiten Elemente Methode führten zu einer für Si optimierten FK-Geometrie und zeigten die Einflüsse verschiedener Orientierungen des Si. Weiterhin wurde eine geeignete Einspannung des FKs entwickelt, die einen vernachlässigba-ren Einfluss auf das Dehnungsverhalten im Bereich der DMS aufweist.Zur Erforschung des last- und zeitabhängigen Verhaltens der Si-WZ, wurden fünf Si-WZ gleicher Geometrie hergestellt und experimentell untersucht. Die Untersuchun-gen erfolgten im Temperaturbereich von ­10°C bis 40°C.Das Zeitverhalten des Messsignals der Si-WZ nach Lastwechseln unter konstanten Randbedingungen wurde im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ deutlich verbes-sert. Die relative Änderung des Messsignals innerhalb der ersten zehn Minuten be-trug nur 2•10-5 für Si-WZ. Zehn Minuten nach den Lastwechseln waren keine weite-ren Zeitabhängigkeiten feststellbar.Die Kennlinien der Si-WZ zeigten im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ um mehr als eine Größenordnung verbesserte Eigenschaften bezüglich Hysterese, Null-punktsverhalten und Reproduzierbarkeit der Messwerte. Die Nichtlinearität war ver-gleichbar mit derer konventioneller DMS-WZ und muss beim Einsatz der Si-WZ in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Präzision kompensiert werden.Zur Bewertung des Einsatzbereiches der Si-WZ, wurden die Messdaten bezüglich Nichtlinearität und Temperaturverhalten digital kompensiert und in Anlehnung an die internationale OIML-Empfehlung R60, zur Prüfung von WZ für eichpflichtige Anwen-dungen, ausgewertet. Die anhand der Kriech- und Richtigkeitsprüfung bewerteten Si-WZ erreichten mehr als 30.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen.Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Si-WZ mit Dünnschicht-DMS unter Anwendung digitaler Kompensationsverfahren für den Einsatzbereich hoher Präzision in der Wä-ge- und Kraftmesstechnik bestens geeignet sind.

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Mäuselein, Sascha: Untersuchungen an Silizium-Verformungskörpern für die Anwendung in der Präzisions-Kraftmess- und Wägetechnik. 2010.

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