力傳感裝置、尤其是電容性的稱重單元的製作方法

2023-10-23 02:59:32 2

力傳感裝置、尤其是電容性的稱重單元的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種力傳感裝置、尤其是稱重單元，其具有彈性體（1），該彈性體在加載要測量的力或負載（18）的情況下變形。在此，兩個通過間隙分隔的承載件（11，12）從靜止位置中移出。電容性的位移傳感器（17）用於檢測承載件（11，12）的相對運動，該位移傳感器由兩個分別保持在承載件（11，12）中的一個上的且分別具有多個電極指的電極梳（15，16）構成。電極梳（15，16）如此構成並且安裝在兩個承載件（11，12）上，使得在加載彈性體（1）時將一個電極梳（15）的電極指沉入到另一電極梳（16）的指間空間中。由此，力傳感裝置是超負荷保護的。
【專利說明】力傳感裝置、尤其是電容性的稱重單元
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種力傳感裝置、尤其是稱重單元，其具有彈性體，該彈性體在加載要測量的力或負載的情況下變形，力傳感裝置並且具有兩個通過間隙分隔的承載件，該承載件在加載彈性體的情況下從靜止位置中移出，並且該力傳感裝置具有電容性的位移傳感器以用於檢測承載件的相對運動，該位移傳感器由兩個各自保持在承載件中的一個上的且各自具有多個電極指的電極梳構成，其中電極梳以彼此平行的且與安裝面平行的指向保持在兩個承載件的彼此平行的平面的安裝面上，並且其中一個電極梳中的電極指在加載彈性體的情況下運動到另一電極梳的指間空間中。
【背景技術】
[0002]這種力傳感裝置或者這種稱重單元從EP0534270A1的圖8至10中已知。在那裡，電極梳保持在承載件上，使得在彈性體未被加載的情況下將相應電極梳的電極指以不對稱偏心的方式定位在相應的另一電極梳的指間空間中。電極指得出多個相同電容器的並聯電路並且被校準成，使得總是一個小的電極間距緊接一個顯著更大的電極間距。因此，小的間距確定位移傳感器的電容。在加載彈性體的情況下，電極指之間的間距變化進而位移傳感器的電容改變。電極結構能夠通過對矽進行各向異性的刻蝕來形成，其中小的電極間距例如能夠為20 μ m。
[0003]電極梳的運動間隙空間通過指間空間的寬度和指寬度來限界，使得在力傳感裝置或稱重單元過載時破壞力傳感裝置。
[0004]從GB2076970A中已知由兩個電極梳構成的電容性的位移傳感器,其中電極梳隨電極指的尖部(指在此實際上是具有不同直徑的同軸的圓柱體)相對彼此運動，其中相應一個電極梳的電極指根據運動方向更多地或更少地嚙合到相應的另外的電極梳的指間空間中。在此，也存在在過載的情況下破壞位移傳感器的危險。例如在MEMS (微電子機械系統)技術中的極其小的電極結構的實現在已知的位移傳感器中在校準電極梳時導致顯著的問題進而幾乎是不可行的。
[0005]W02007/086489A1示出MEMS技術中的具有電容性位移傳感器的壓力傳感裝置，該壓力傳感裝置在其原理結構和其作用方式方面相應於從GB2076970A中已知的位移傳感器。在此，在壓力傳感裝置過載的情況下又存在破壞位移傳感器的危險。
[0006]從US2007/0284964A1中已知以靜電方式工作的MEMS執行器，其中通過可移動地安置的電極梳和固定的電極梳之間的靜電力產生運動。電極梳形成並且布置成使得其相對彼此具有平行錯位並且使得可移動地安置的電極梳的電極指在垂直於指長度的方向上沉入到固定的電極梳的指間空間中。US2007/0284964A1也示例地示出，如何能夠由一種襯底製成兩個這種電極梳。
[0007]從DE3218577A1中已知一種具有彈性體的力傳感裝置力轉換器，該力轉換器具有兩個通過間隙分隔的承載件，該承載件在加載彈性體時從靜止位置中移出。用於檢測承載件的相對運動的電容性位移傳感器具有兩個電極面，該電極面彼此布置在這兩個承載件的彼此面對布置的平行的安裝面上並且與安裝面平行地布置，並且彈性體的負載垂直於其平面地彼此運動。電容相對小並且在此在過載的情況下也存在破換力轉換器的危險。

【發明內容】

[0008]本發明所基於的目的是，提供一種過載保護的力傳感裝置或者具有電容性力傳感裝置位移傳感器的這種稱重單元。
[0009]根據本發明，該目的通過下述方式來實現，即在開始所述類型的稱重單元或力傳感裝置中將保持電極梳的安裝面形成在承載件上，使得該安裝面在加載彈性體的情況下變得垂直於該安裝面的平面，以及電極梳的電極指相對於安裝面分別具有不同的平行錯位，使得在加載彈性體的情況下一個電極梳的電極指沉入到另一電極梳的指間空間中。
[0010]由於電極梳彼此間的平行錯位，在未加載彈性體的情況下位移傳感器的電容僅是很小的並且隨著彈性體的負載的上升而增加，因為然後各電極梳的電極指更多地嚙合到另一電極梳的指間空間中。力傳感裝置位移傳感器的過載或破壞被排除，因為電極指僅沿指間空間向兩側敞開的方向運動。
[0011]優選地，電極梳的電極指相對於其安裝面的平行錯位的差小於或等於電極指的高度/厚度，使得在未加載彈性體的情況下已經存在電極指的交疊並且在負載增加的情況下力傳感裝置位移傳感器的電容進一步線性地增加。
[0012]為了在沒有在校準電極梳時與之聯繫在一起的問題的情況下能夠實現以MEMS技術實現極其小的電極結構，位移傳感器優選地一體地計並且本身安裝在兩個載體件上。因此，對於立即排除或者通過用於限制彈性體變形的附加的措施或者以負載止擋部的形式防止力傳感裝置過載的情況而言，力傳感裝置位移傳感器能夠由電極梳和至少一個連接該電極梳的柔性的、例如薄的連接片構成並且在此一體地形成。可替換地，連接片能夠形成為斷裂接片，該斷裂接片在將一體的力傳感裝置位移傳感器安裝在承載件上之後在完全分離兩個電極梳的情況下被移除。因此，電極梳優選分別由力傳感裝置位移傳感器的接近最終產品的一體式結構形式的斷裂件(Bruchstueck)構成。
[0013]在根據本發明的力傳感裝置的或者根據本發明的稱重單元的一個有利的改進方案中，電極梳保持在柔性的承載膜上並且與該承載膜一起安裝在彈性體的承載件上。然後，必要時已經能夠在將力傳感裝置位移傳感器安裝在彈性體上之前進行以上述方式分離電極梳。承載膜優選設計為膜式電路板，該膜式電路板與電極梳電接觸並且用於將力傳感裝置位移傳感器連接到評估裝置上。此外，承載膜能夠以尤其有利的方式容納電極梳中的一個的一部分並且該承載膜可以是對於來自力傳感裝置或者稱重單元的使用地點環境的環境影響進行保護的柔性的罩體。為此，例如能夠將覆蓋膜施加在承載膜上，該覆蓋膜覆蓋電極梳並且在邊緣處與承載膜密封地連接。
[0014]按照根據本發明的力傳感裝置或根據本發明的稱重單元的另一有利的改進方案，與位移傳感器平行的結構相同的另外的位移傳感器保持在承載件上，以及設有將兩個位移傳感器的信號聯結成和信號和/或差信號的評估裝置。另一位移傳感器能夠在一個力傳感裝置位移傳感器附近保持在承載件的與該一個力傳感裝置位移傳感器相同的一側上或者保持在承載件的與其背離的一側上。由兩個力傳感裝置位移傳感器的信號形成和信號對相應於將單獨的力傳感裝置位移傳感器的電容翻倍進而有助於提高測量靈敏度。同時，兩個結構相同的力傳感裝置位移傳感器的信號的差信號必須為零或者在偏置的情況下至少是與負載無關的，使得根據差信號能夠對力傳感裝置或者稱重單元的可能的功能故障進行監控。差信號的形成等同於監控這兩個力傳感裝置位移傳感器的信號的一致性或者一致的表現進而與其視作相同。
[0015]除了要測量的力或負載之外，橫向於此作用到彈性體上的幹擾力或者彈性體的熱膨脹也能夠影響力傳感裝置位移傳感器的電容和必要時影響另外的力傳感裝置位移傳感器。為了消除對於力測量或負載測量的結果的幹擾性影響，優選在承載件上保持有至少一個電容性的附加的位移傳感器以用於檢測承載件的、至少一個正交於承載件的要由一個位移傳感器檢測的或者要由一個和另一位移傳感器檢測的相對運動地延伸的運動分量，並且設有評估裝置，該評估裝置設計用於，利用附加的位移傳感器的信號修正一個位移傳感器的信號或一個位移傳感器和另一位移傳感器的和信號和/或差信號。附加的電容性的位移傳感器平行於一個位移傳感器布置，並且同樣由各自保持在承載件中的一個上的兩個電極梳構成，然而該電極梳的電極指在未加載彈性體的情況下以沒有彼此平行錯位的方式但是不對稱偏心地定位在相應的另一電極梳的指間空間中。根據本發明的力傳感裝置或根據本發明的稱重單元的該改進方案所基於的補償原理本身從EP0776467B1中已知。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]為了進一步闡明本發明，下面參考附圖；其詳細地示出:
[0017]圖1是具有未加載的彈性體和電容器力傳感裝置位移傳感器的根據本發明的稱重單元的第一實施例，
[0018]圖2是在加載彈性體的情況下的根據圖1的實施例，
[0019]圖3是電容性的位移傳感器的第一實施例的側視圖，
[0020]圖4是電容性的位移傳感器的另一實施例的側視圖，
[0021]圖5是根據圖1或4的力傳感裝置位移傳感器的俯視圖，
[0022]圖6是具有另一或附加的電容性的位移傳感器的根據本發明的稱重單元的一個實施例，
[0023]圖7是用於檢測橫向力的附加的力傳感裝置位移傳感器的一個實施例，
[0024]圖8是用於檢測橫向力或者彈性體的熱膨脹的附加的力傳感裝置位移傳感器的另一實施例，
[0025]圖9是安裝在柔性的承載膜上的且用覆蓋膜覆蓋的力傳感裝置位移傳感器的側視圖和
[0026]圖10是安裝在承載膜上的力傳感裝置位移傳感器的俯視圖。
【具體實施方式】
[0027]圖1示出具有金屬製成的雙彎曲梁形式的彈性體I的稱重單元的極度簡化的視圖，該稱重單元固定地安置在一個端部2上並且在梁中央包含留空部3。在留空部3的上側和下側上設有材料橫截面減小的區域，該區域形成雙彎曲梁的四個彎曲部位4，5，6和7。在彎曲部位4和5或者6和7之間餘留的材料連接片形成上部的臂架8和下部的臂架9，這兩個臂架彼此平行地伸展。在留空部3之內，兩個剛性的梁形承載件11和12從彈性體I的兩個端部2和10起朝向彼此延伸並且以相對彼此一定間距的方式終止。在兩個梁形承載件11和12的自由端處構成有彼此平行的且在未加載彈性體I的情況下相互對準的安裝面13和14，分別將電容性的位移傳感器17的兩個電極梳15和16中的一個保持在該安裝面上。可替換地能夠提出，安裝面13和14在對彈性體I施加預應力的情況下對準並且在對位移傳感器17施加預應力的狀態下將位移傳感器17安裝在安裝面13和14上。在下面詳細地闡明力傳感裝置位移傳感器17的結構。
[0028]如圖2示出，在將重力18施加到雙彎曲梁的自由端10上時彈性體I向下彎曲，其中自由端10連同始於其的承載件11和保持在該承載件上的電極梳15 —起向下移動。電容性的位移傳感器17經由電極梳15和16之間的變化的電容檢測承載件11和12的與重力18成正比的相對運動。
[0029]圖3示出具有兩個電極梳15和16的力傳感裝置位移傳感器17的側視圖。圖5示出相同的力傳感裝置位移傳感器的俯視圖。電極梳15和16分別具有多個電極指19和20，該電極指以分別關於安裝面13和14不同的平行錯位平行於安裝面13和14延伸。不同的電極梳15和16的電極指19和20之間的所得出的平行錯位大致相應於電極指19和20的厚度和高度D。此外，兩個電極梳15和16以錯開一定空隙的方式布置，使得電極梳15的電極指19剛好位於電極梳16的指間空間之上，以及電極梳16的電極指20剛好位於電極梳15的指間空間之下。
[0030]如圖5示出，兩個電極梳15和16經由連接片21和22相互連接。該連接片21和22在將具有兩個電極梳15和16的力傳感裝置位移傳感器17施加在承載件11和12的安裝面13和14上之後才被移除或者在連接部21和22的柔性足夠大的情況下保留。
[0031]在用重力18加載彈性體I的情況下(圖2)，電極梳15的電極指19沉入到電極梳16的指間空間中，使得提高位移傳感器17的電容值。
[0032]為了實現該電極結構，以MEMS技術由矽襯底或SOI襯底(絕緣體上矽薄膜)通過從上方和下方在兩側進行刻蝕來製造力傳感裝置位移傳感器17。
[0033]圖4示出力傳感裝置位移傳感器17的另一實施例的側視圖，其中不同的電極梳15和16的電極指19和20之間的平行錯位小於電極指19和20的厚度或高度D，使得在未加載彈性指I (圖1)的情況下電極梳15的電極指19部分地沉入到電極梳16的指間空間中。在用重力18加載彈性體I的情況下(圖2)，電極梳15的電極指19進一步沉入到電極梳16的指間空間中，使得提高位移傳感器17的電容值。在此，相對於根據圖3的實施例，電容增加與重力18相關地線性延伸。電極結構例如能夠通過刻蝕由DSOI (雙層絕緣體上矽薄膜)襯底製成。位移傳感器17的該實施例的俯視圖與根據圖3的實例的情況一樣並且在圖5中示出。
[0034]圖6示出圖1中示出的稱重單元的一個變體，其中在在承載件11和12上除位移傳感器17之外保持有與該位移傳感器平行的、結構相同的另一位移傳感器23。該另一位移傳感器23能夠隨其電極梳24和25直接在位移傳感器17附近安裝在安裝面13和14上，或者，與在所示出的變體中那樣，安裝在承載件11和12的背離位移傳感器17的下側上。因此，兩個位移傳感器17和23產生相同的(或者在逆向安裝兩個位移傳感器的情況下倒置的、即相反的)信號，該信號在評估單元26中相加以及彼此相減。和信號(或倒置信號的差信號)是要測量的重力18的度量，而差信號(或倒置信號的和信號)在稱重單元無故障運行的情況下等於或者近似於零，並且在不同於零的情況下在位移傳感器17和23中顯示出故障。
[0035]在圖6中，要測量的重力18的作用方向與坐標系的y方向重合。除了要測量的重力18之外，彈性體I的在X和z方向上作用到彈性體I上的幹擾力或熱膨脹也能夠影響位移傳感器17的和必要時另外的位移傳感器23的電容。為了消除對於重力測量的該幹擾影響，能夠在承載件11和12上布置有附加的電容性的位移傳感器以用於檢測承載件11和12在X和z方向上的相對運動。
[0036]圖7示出用於檢測承載件11和12在z方向上的相對運動的這種附加的電容性的位移傳感器27。同樣地，該附加的電容性的位移傳感器27由具有以一定空隙布置的電極指30和31的兩個電極梳28和29構成。然而，與位移傳感器17不同的是，在朝指厚度或高度的方向上不存在平行錯位，使得每個電極梳28和29的電極指30和31永久地嚙合到相應的另一電極梳的指間空間中。然而，以不對稱偏心的方式進行該嚙合，使得小的電極間距和顯著更大的電極間距分別緊隨。因此，小的間距確定附加的位移傳感器27的電容，該位移傳感器以與上面針對另一位移傳感器23所描述的相同的方式平行於位移傳感器17安裝在承載件11和12上。在沿z方向橫向加載彈性體I的情況下，電極指30和31之間的間距變化，進而附加的位移傳感器27的電容變化。
[0037]圖8示出用於檢測承載件11和12在X方向上的相對運動的附加的電容性的位移傳感器32的一個實例。因為承載件11和12在X方向上的相對運動在位移傳感器17中僅引起小的電容變化，所以附加的位移傳感器32實現為具有以MEMS技術構成的電容器板33和34的簡單的板式電容器。特別地，電容器板33和34直接地構成在位移傳感器17本身上，這就是說，位移傳感器17和另外的或者附加的位移傳感器，例如23，27和/或32由襯底製成並且安裝在彈性體I上。在圖6中示出的評估單元26利用附加的位移傳感器27和32的信號修正位移傳感器17的信號和必要時修正兩個位移傳感器17和23的和信號和/或差信號。因為全部位移傳感器17，23，27和32更多或更少地對x，y和z方向上的全部運動分量做出反應，該位移傳感器能夠為運動分量中的每一個進行校準。藉助三個校準的位移傳感器17，27和32獲得三個信號Sfai.x+bi.y+Ci.z, i=l，2，3，該信號遵守三個方程式，使得能夠從信號Si中確定X，y和z方向上的運動分量。
[0038]圖9和10分別示出另一實施例的側視圖和俯視圖，其中位移傳感器17的電極梳15和16保持在柔性的承載膜35上，在此例如為膜式電路板形式的承載膜並且隨該承載膜必要時在置於陶瓷製成的承載板36和37中間的情況下安裝在彈性體I的承載件11和12上。陶瓷承載件36和37用作為製造和安裝位移傳感器17時的固定的底層，並且經由斷裂接片38和39彼此連接，該斷裂接片在將位移傳感器17安裝在彈性體I上之後被移除。電極梳15和16直接地或者藉助於間隔件40和41安裝在膜式電路板35上並且與其接觸。膜式電路板35連同覆蓋膜42 —起形成容納電極梳15和16的、保護電極梳免受環境影響的柔性的罩體43。
【權利要求】
1.一種力傳感裝置、尤其是稱重單元，具有彈性體(1)，所述彈性體在加載要測量的力或負載(18)的情況下變形並且具有兩個通過間隙分隔的承載件(11，12)，所述承載件在加載所述彈性體(1)的情況下從靜止位置中移出，並且所述力傳感裝置具有電容性的位移傳感器(17)以用於檢測所述承載件(11，12)的相對運動，所述位移傳感器由兩個各自保持在所述承載件(11，12 )中的一個上的且各自具有多個電極指的(19，20 )的電極梳(15，16 )構成，其中所述電極梳(15，16)以彼此平行的且與所述安裝面(13，14)平行的指向保持在兩個所述承載件(11，12)的彼此平行的平面的安裝面(13，14)上，並且其中一個所述電極梳(15，16)中的所述電極指(19，20)在加載所述彈性體(1)的情況下運動到另一所述電極梳的指間空間中， 其特徵在於， 保持所述電極梳(15，16)的所述安裝面(13，14)形成在所述承載件(11，12)上，使得所述安裝面在加載所述彈性體(1)的情況下垂直於所述安裝面的平面運動，以及所述電極梳(15，16)的所述電極指(19，20)相對於所述安裝面(13，14)分別具有不同的平行錯位，使得在加載所述彈性體(1)的情況下一個所述電極梳(15)的所述電極指(19)沉入到另一所述電極梳(16)的所述指間空間中。
2.根據權利要求1所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述電極梳(15，16)的所述電極指(19，20)相對於所述電極梳的所述安裝面(13，14)的所述平行錯位的差小於或等於所述電極指(19，20)的高度/厚度(D)。
3.根據權利要求1或2所述的力傳感裝置，其特徵在於，由所述電極梳(15，16)和連接所述電極梳的至少一個柔性的連接片(21，22)構成的所述位移傳感器(17) —體地形成。
4.根據權利要求1，2或3所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述電極梳(15，16)分別由所述位移傳感器(17)的接近最終產品的一體式結構形式的斷裂件構成。
5.根據前述權利要求中任一項所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述電極梳(15，16)保持在柔性的承載膜(35)上並且與所述承載膜一起安裝在所述彈性體(1)的所述承載件(11，12)上。
6.根據權利要求5所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述承載膜(35)設計為膜式電路板，所述膜式電路板與所述電極梳(15，16)電接觸。
7.根據權利要求5或6所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述承載膜(35)構造在兩個支撐所述電極梳(15，16)並且通過斷裂接片(38，39)彼此連接的承載板(36，36)上。
8.根據權利要求5，6或7所述的力傳感裝置，其特徵在於，所述承載膜(35)是容納所述電極梳(15，16)的柔性的罩體(43)的一部分。
9.根據前述權利要求中任一項所述的力傳感裝置，其特徵在於，與所述位移傳感器(17)平行的結構相同的另外的位移傳感器(23)保持在所述承載件(11，12)上，並且設有將兩個所述位移傳感器(17，23)的信號聯結成和信號和/或差信號的評估裝置(26)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的力傳感裝置，其特徵在於，在所述承載件(11，12)上保持有至少一個電容性的附加的位移傳感器(27，32)以用於檢測所述承載件(11，12)的、至少一個垂直於所述承載件(11，12)的要由所述一個位移傳感器檢測的或者要由所述一個和另一位移傳感器(17，23)檢測的相對運動地延伸的運動分量，以及設有評估裝置(26)，所述評估裝置設計用於，利用附加的所述位移傳感器(27，32)的信號修正所述一個位移傳感器(17)的信號或所述一個位移傳感器和所述另一位移傳感器(17，23)的和信號和/或差號。
11.根據權利要求10所述的力傳感裝置，其特徵在於，附加的電容性的所述位移傳感器(27)平行於所述一個位移傳感器(17)布置，並且同樣由各自保持在所述承載件(11，12)中的一 個上的兩個電極梳(28，29)構成，然而所述電極梳的電極指(30，31)在未加載彈性體(1)的情況下以沒有彼此平行錯位的方式但是不對稱偏心地定位在相應的另一所述電極梳的指間 空間中。
【文檔編號】G01G3/12GK103534561SQ201280023243
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年5月11日 優先權日:2011年5月17日
【發明者】約爾格·哈塞爾, 克勞斯·勒特爾, 卡爾海因茨·阿姆特曼, 多米尼克·布朗, 漢斯-彼得·林德納, 德爾菲娜·默尼爾, 丹尼爾·列茲尼克, 迪爾克·沙伊布納, 阿爾諾·斯特肯博恩, 奧利弗·泰勒, 哈裡·黑德勒 申請人:西門子公司