Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Neue Wägezelle aus Silizium

27.10.2009

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

Die dominierende Technologie im Bereich der Wägetechnik ist die Verformung von metallischen Federkörpern unter Last und die elektrische Auswertung der Verformung mittels Dehnungsmessstreifen (DMS). Diese konventionellen DMS-Wägezellen können bislang nicht für hochpräzise Anwendungen, wie z. B. in Laborwaagen, eingesetzt werden. Der von der PTB entwickelte neue Sensor (Bild 1) beruht auf dem Prinzip der konventionellen DMS-Wägezelle. Doch statt aus Metall besteht sein Federkörper aus Silizium. Da sich einkristallines Silizium bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese eines solchen Federkörpers vernachlässigbar klein. Die Applikation der DMS 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.

Wägezelle mit Silizium-Federkörper und aufgesputterten Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen

Bild 1: Wägezelle mit Silizium-Federkörper und aufgesputterten Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen

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 Silizium-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 Sensoren 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 Silizium-Wägezellen erreichen mehr als 30 000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen und sind somit auch für präzise Wägungen, etwa bei Laborwaagen, geeignet.

Ansprechpartner:

Sasche Mäuselein, FB 1.2, AG 1.12, E-Mail: sascha.maeuselein@ptb.de