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Neue Wägezelle aus Silicium

Die Technologie konventioneller Dehnungsmessstreifen-Wägezellen wurde in der PTB auch für hochpräzise Wägungen weiterentwickelt. Die neue Wägezelle aus einkristallinem Silicium (statt aus Metall) mit aufgesputterten (statt geklebten) Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen weist ein deutlich verbessertes Zeit- und Hystereseverhalten sowie eine bessere Reproduzierbarkeit auf.

Silicium-Wägezelle mit aufgesputterten Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen

Mit einem Jahresumsatz von 500 Millionen Euro hat die Wägetechnik in Deutschland einen großen Marktanteil. Ein Großteil dieses Jahresumsatzes wird mit konventionellen Wägezellen für geringe bis mittlere Präzision erreicht. Sie bestehen aus metallischen Federkörpern mit aufgeklebten Dehnungsmessstreifen. Auf diesem Prinzip beruht auch der von der PTB weiterentwickelte Sensor. Doch statt aus Metall besteht sein Federkörper aus Silicium. Da sich einkristallines Silicium bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese eines solchen Federkörpers vernachlässigbar. Die Applikation des Dehnungsmessstreifens mittels Dünnschichtverfahren führt zu einer direkteren Verbindung mit dem Federkörper als beim konventionellen Klebeverfahren. So konnten auch Zeitabhängigkeiten während der Dehnungsübertragung vom Federkörper zum Dehnungsmessstreifen erheblich reduziert werden, und die Reproduzierbarkeit der Dehnungsmessung wurde deutlich erhöht.

Diese prinzipiellen Vorteile konnten bei Untersuchungen zum last- und zeitabhängigen Verhalten an fünf dieser neuer Wägezellen bei Temperaturen von 10 °C bis 40 °C bestätigt werden. Die Kennlinien der Silicium-Wägezellen zeigen im Vergleich zu denen konventioneller Wägezellen bei Hysterese, Nullpunktverhalten und Reproduzierbarkeit der Messwerte jeweils um mehr als eine Größenordnung bessere Werte. Die Nichtlinearität ist vergleichbar mit der konventioneller Wägezellen.

Zur Bewertung des Einsatzbereiches der neuen Wägezellen wurden die Messdaten in Anlehnung an die internationalen OIML-Empfehlung zur Prüfung von Wägezellen für eichpflichtige Anwendungen ausgewertet. Die anhand der Kriech- und Richtigkeitsprüfung bewerteten Silicium-Wägezellen erreichen mehr als 30 000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen und sind somit auch für präzise Wägungen, etwa bei Laborwaagen, geeignet.

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