DE4028376C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Dünn schicht-Dehnmeßstreifenanordnungen nach dem Oberbegriff des Haupt anspruchs.The invention is based on a method for producing thin Layer strain gauge arrangements according to the preamble of the main demanding
Aus der EP 00 87 419 sind bereits Dünnschicht-Dehnmeßstreifen und Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Bei verformbaren Meßobjekten mit ebener Oberfläche werden auf der Oberfläche zwei dünne, hoch ohmige Glasisolationsschichten aufgedruckt, wobei durch gesondertes Brennen der beiden Glasschichten eine porenfreie Isolationsschicht entsteht. Auf dieser Isolationsschicht werden in Dünnschichttechnik durch Aufdampfen oder Sputtern zunächst eine Widerstandsschicht, beispielsweise aus Tantalnitrid (Ta2N, TaN) und/oder Tantal oxinitrid (TaOxNy), ganzflächig aufgebracht und darauf ebenfalls ganzflächig eine Kontaktschicht aus beispielsweise einem Konstan tan-Stickstoffgemisch. In einem ersten Ätzschritt wird die Gesamt struktur der Widerstands- und Leiterbahnbereiche erzeugt und anschließend in einem zweiten Ätzschritt das Leiterbahnmaterial der Kontaktschicht selektiv von den Widerstandsbereichen abgeätzt. Bei diesem Verfahren durchläuft auch das Meßobjekt jeden einzelnen Prozeßschritt, da der Dehnmeßstreifen direkt auf dem Meßobjekt gefertigt wird. Dadurch ist der Ausschuß von teuren mechanischen Teilen durch Masseschlüsse und Unterbrechungen in der Widerstands schicht relativ hoch. In dieser Schrift wird ferner beschrieben, daß durch Aufdampfen oder Sputtern von einer Widerstandsschicht und einer Kontaktschicht und anschließendes Strukturieren dieser Schichten dehnungsempfindliche Widerstände auch auf eine dünne organische Folie aufgebracht werden können. Diese wird dann auf das Meßobjekt aufgeklebt. Diese Dehnmeßstreifen können auch auf Meßobjekten mit gekrümmter Oberfläche angeordnet werden. Die organische Folie ist jedoch anfällig gegen Feuchte, was ihre mechanischen Eigenschaften verändert, und wirkt auch nicht hinreichend isolierend, wenn der Meßkörper aus elektrisch leitendem Material gefertigt ist. Zudem ist es sehr aufwendig, dehnungsempfindliche Widerstände auf organischen Folien reproduzierbar herzustellen. Außerdem wird das Schaltungsprinzip einer Wheatstone-Brücke mit Dehnmeßstreifen erläutert.Thin-layer strain gauges and methods for their production are already known from EP 00 87 419. In the case of deformable test objects with a flat surface, two thin, high-resistance glass insulation layers are printed on the surface, a separate non-porous insulation layer being formed by firing the two glass layers separately. On this insulation layer, a resistance layer, for example made of tantalum nitride (Ta 2 N, TaN) and / or tantalum oxynitride (TaO x N y ), is first applied over the entire area in thin-film technology by vapor deposition or sputtering, and a contact layer of, for example, a constant Nitrogen mixture. In a first etching step, the overall structure of the resistance and conductor path regions is produced and then in a second etching step the conductor path material of the contact layer is selectively etched away from the resistance regions. With this method, the test object also goes through every single process step, since the strain gauge is manufactured directly on the test object. As a result, the rejection of expensive mechanical parts due to ground faults and interruptions in the resistance layer is relatively high. This document also describes that by vapor deposition or sputtering of a resistance layer and a contact layer and subsequent structuring of these layers, strain-sensitive resistors can also be applied to a thin organic film. This is then glued to the test object. These strain gauges can also be placed on objects with a curved surface. However, the organic film is susceptible to moisture, which changes its mechanical properties, and does not have a sufficiently insulating effect if the measuring body is made of an electrically conductive material. In addition, it is very complex to reproducibly produce strain-sensitive resistors on organic foils. The circuit principle of a Wheatstone bridge with strain gauges is also explained.
Aus der GB 10 67 475 ist die Herstellung von Dünnfilmwiderständen auf Glassubstraten bekannt. Diese Widerstände dienen zur Herstellung von Mikrominiatur-Schaltkreisen und weisen ein sehr geringes Driftverhalten und eine geringe Temperaturabhängigkeit auf.From GB 10 67 475 is the manufacture of thin film resistors Glass substrates known. These resistors are used to manufacture Microminiature circuits and have a very low drift behavior and a low temperature dependence.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Schaffung einer Dünnschicht-Dehnmeßstreifenanordnung auf einem dünnen, verbiegbaren Glassubstrat, so daß seine mechanischen Eigenschaften unempfindlich gegen Feuchtigkeitseinflüsse sind und eine elektrische Isolation zwischen den Widerständen und dem Meßobjekt gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Anwendung der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.The object of the method according to the invention is to create a Thin-film strain gauge assembly on a thin, bendable Glass substrate so that its mechanical properties are insensitive against moisture and electrical insulation between the resistors and the device under test is guaranteed. According to the invention, the object is achieved by using the in the indicator of claim 1 specified features solved.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die einzelnen Verfahrensschritte aus der Dünnschichttechnik bekannt und gut handhabbar sind, so daß sich einfach reproduzierbare Strukturen herstellen lassen, was eine wichtige Voraussetzung für eine kostengünstige Massenherstellung ist. Die getrennte Fertigung von Meßobjekt und Dehnmeßstreifen und anschließende Montage der Dehnmeßstreifen auf dem Meßobjekt tragen zusätzlich zu einer Verringerung des Ausschusses bei, da jede einzelne Komponente für sich auf ihre Qualität hin geprüft werden kann. Die Verwendung eines dünnen Glassubstrats, auf das mehrere Widerstandsanordnungen aufgebracht werden, hat ferner den Vorteil, daß seine mechanischen Eigenschaften unempfindlich gegen Feuchtigkeitseinflüsse sind. Außerdem ist durch das Glassubstrat die elektrische Isolation zwischen Widerstandsanordnung und Meßobjekt gewährleistet. Aufgrund der guten Verbiegbarkeit des Glassubstrats ist eine Montage der darauf präparierten Dehnmeßstreifen weitgehend unabhängig von der geometrischen Form des Meßobjekts.The inventive method with the characterizing features of The main claim has the advantage that the individual process steps are known from thin-film technology and are easy to handle, so that easily reproducible structures, which is important A prerequisite for inexpensive mass production is. The separate production of measuring object and strain gauge and subsequent Mounting the strain gauges on the test object also contributes to this a reduction in the number of rejects since every single component for quality can be checked. The use of a thin glass substrate on which several resistor arrangements applied, also has the advantage that its mechanical Properties are insensitive to the effects of moisture. Furthermore is the electrical insulation between the glass substrate Resistor arrangement and test object guaranteed. Because of the good Bendability of the glass substrate is largely an assembly of the strain gauges prepared on it regardless of the geometric shape of the measurement object.
Das erfin dungsgemäße Verfahren ermöglicht ein einfaches Layout der Wider standsanordnung, da die hochohmige Widerstandsschicht direkt auf das Glassubstrat aufgebracht werden kann, so daß der Widerstandswert nicht beispielsweise durch Mäandrierung der Widerstandsschicht erhöht werden muß.That invented The inventive method allows a simple layout of the contra stand arrangement, since the high-resistance layer directly on the Glass substrate can be applied so that the resistance value not, for example, by meandering the resistance layer must be increased.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Ver fahrens möglich.The measures listed in the subclaims provide for partial developments of the specified in the main claim Ver driving possible.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing represents and explained in more detail in the following description. It shows
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Drucksensor mit einer Dehn meßstreifenanordnung, Fig. 1 is a sectional meßstreifenanordnung by a pressure sensor with a Dehn
Fig. 2 die Aufsicht auf diesen Drucksensor und Fig. 2 shows the supervision of this pressure sensor and
Fig. 3 eine Glasfolie mit mehreren darauf präparierten Wider standsanordnungen. Fig. 3 is a glass sheet with several prepared on it stand arrangements.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Meßobjekt bezeichnet, in diesem Falle handelt es sich um einen Drucksensor mit einer Membran 11, auf dessen Oberfläche über eine Klebeschicht 15 eine nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren hergestellte Dünnschicht-Dehnmeßstreifen anordnung aufgebracht ist. Auf einer Glasfolie 20 ist eine Wider standsschicht 21 abgeschieden. Im Bereich der Anschlußzuleitungen der Meßwiderstände ist diese Widerstandsschicht 21 von einer Kontaktschicht 22 bedeckt. Im Gegensatz zur Widerstandsschicht 21, die alleine sehr hochohmig ist, weist die Kontaktschicht 22 zusammen mit der Widerstandsschicht 21 nur einen geringen Widerstand auf. Damit Störsignale aufgrund von thermischen Einflüssen möglichst vermieden werden, werden als Materialien der Widerstandsschicht 21 und der Kontaktschicht 22 Materialien mit ähnlich kleinen Tempera turkoeffizienten gewählt. Zur Verhinderung einer Verschmutzung bzw. Oxidation der Kontaktschicht 22 ist eine weitere Schicht, eine Schutzschicht 25, auf die gesamte Oberfläche der Glasfolie 20 auf gebracht. Über Anschlüsse 26 in Verbindung mit der Kontaktschicht 22 läßt sich die Widerstandsschicht 21 in eine Schaltungsanordnung einfügen.In Fig. 1, 10 denotes a measurement object, in this case it is a pressure sensor with a membrane 11, on the surface thereof via an adhesive layer 15 is a thin-film strain gauge produced by the process OF INVENTION to the invention is applied arrangement. On a glass film 20 , a resistance layer 21 is deposited. In the area of the connecting leads of the measuring resistors, this resistance layer 21 is covered by a contact layer 22 . In contrast to the resistance layer 21 , which alone has a very high resistance, the contact layer 22 together with the resistance layer 21 has only a low resistance. So that interference signals due to thermal influences are avoided as far as possible, materials with a similarly small temperature coefficient are chosen as the materials of the resistance layer 21 and the contact layer 22 . To prevent contamination or oxidation of the contact layer 22 , a further layer, a protective layer 25 , is applied to the entire surface of the glass film 20 . The resistance layer 21 can be inserted into a circuit arrangement via connections 26 in connection with the contact layer 22 .
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Dünn schicht-Dehnmeßstreifenanordnungen wird auf ein dünnes Glassubstrat, vorzugsweise auf eine Glasfolie der Dicke 30 bis 60 µm, in einem Vakuum-Dünnschichtprozeß eine metallische Widerstandsschicht, bei spielsweise aus Tantal, Tantalnitrid, Tantaloxinitrid oder Nickel- Chrom, ganzflächig abgeschieden. Darauf wird ebenfalls ganzflächig eine Kontaktschicht bzw. ein Schichtsystem aus Nickel, Konstantan oder beispielsweise einem Titan-Palladium-Goldgemisch abgeschieden. Auf diesem Glassubstrat kann eine große Anzahl von Dehnmeßstreifen photolithographisch strukturiert werden, wie in Fig. 3 dargestellt. In einem ersten Ätzschritt wird die Gesamtstruktur der Wider stands- und Leiterbahnbereiche erzeugt, d. h., in diesem Ätzschritt werden sowohl die Kontaktschicht als auch die Widerstandsschicht strukturiert. Anschließend wird in einem zweiten Ätzschritt das Kontaktschichtmaterial selektiv von den Widerstandsbereichen abge ätzt, die durch ihre Längenveränderung ein Meßsignal erzeugen sollen. Die einzelnen Dehnmeßstreifenanordnungen werden durch Sägen oder Ritzen des Glassubstrats oder mit Hilfe eines Lasers vereinzelt und können nun direkt auf das Meßobjekt aufgebracht werden. Je nach Material des Meßobjektes kann dies durch Kleben erfolgen oder auch durch anodisches Bonden. In the method according to the invention for producing thin-layer strain gauge arrangements, a metallic resistance layer, for example made of tantalum, tantalum nitride, tantalum oxynitride or nickel-chromium, is placed on a thin glass substrate, preferably on a glass film with a thickness of 30 to 60 μm, in a vacuum thin-layer process. completely deposited. A contact layer or a layer system made of nickel, constantan or, for example, a titanium-palladium-gold mixture is also deposited over the entire surface. A large number of strain gauges can be photolithographically structured on this glass substrate, as shown in FIG. 3. In a first etching step, the overall structure of the resistance and conductor path regions is generated, ie both the contact layer and the resistance layer are structured in this etching step. Subsequently, in a second etching step, the contact layer material is selectively etched away from the resistance areas which are to generate a measurement signal due to their change in length. The individual strain gauge arrangements are separated by sawing or scratching the glass substrate or with the aid of a laser and can now be applied directly to the test object. Depending on the material of the measurement object, this can be done by gluing or by anodic bonding.
In Fig. 2 ist die Aufsicht auf eine Oberfläche des Drucksensors 10 aus Fig. 1 dargestellt. Auf der Glasfolie 20 ist eine ringförmige Meßwiderstandsanordnung aus der Widerstandsschicht 21 herausstruk turiert. Die Ausgestaltung dieser Meßwiderstandsanordnung ist auf die Anwendung für den Drucksensor 10 abgestimmt. So weist die Wider standsanordnung im Bereich der maximalen Dehnung der Membran einen möglichst hohen Widerstand auf, was durch eine besonders schmale Ausgestaltung der Widerstandsschicht in diesem Bereich bewerk stelligt ist. An vier Stellen symmetrisch läßt sich die ringförmige Meßwiderstandsanordnung kontaktieren, so daß die Signalerfassung über eine Wheatstone-Brücke erfolgen kann, was ausführlich in der EP 00 87 419 beschrieben ist. Die Anschlüsse werden durch ein nieder ohmiges Schichtsystem aus Widerstandsschicht 21 und Kontaktschicht 22 gebildet, auf die Anschlüsse 26 aufgebracht sind. Die Schutz schicht 25 ist hier nicht dargestellt. Der so ausgestaltete Dehnmeß streifen 40 ist auf den Drucksensor 10 aufgeklebt. Die nachträgliche Montage des Dehnmeßstreifens auf dem Meßobjekt hat den Vorteil, daß das Meßobjekt und der Dehnmeßstreifen unabhängig voneinander gefertigt und auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft werden können. Der Ausschuß von teuren mechanischen Teilen durch Masse schlüsse oder fehlerhafte Beschichtung und Strukturierung des Dehnmeßstreifens kann dadurch erheblich reduziert werden. FIG. 2 shows the top view of a surface of the pressure sensor 10 from FIG. 1. On the glass film 20 , an annular measuring resistor arrangement is structured out of the resistance layer 21 . The design of this measuring resistor arrangement is matched to the application for the pressure sensor 10 . Thus, the resistance arrangement in the area of maximum expansion of the membrane has the highest possible resistance, which is accomplished by a particularly narrow configuration of the resistance layer in this area. The ring-shaped measuring resistor arrangement can be contacted symmetrically at four points, so that the signal can be acquired via a Wheatstone bridge, which is described in detail in EP 00 87 419. The connections are formed by a low-resistance layer system consisting of resistance layer 21 and contact layer 22 , to which connections 26 are applied. The protective layer 25 is not shown here. The strain gauge 40 designed in this way is glued to the pressure sensor 10 . The subsequent assembly of the strain gauge on the test object has the advantage that the test object and the strain gauge can be manufactured independently of one another and their functionality can be checked. The rejection of expensive mechanical parts by mass connections or faulty coating and structuring of the strain gauge can be significantly reduced.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8331 | Complete revocation |