DE3426165A1 - Dynamometer - Google Patents

Dynamometer

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DE3426165A1
DE3426165A1 DE19843426165 DE3426165A DE3426165A1 DE 3426165 A1 DE3426165 A1 DE 3426165A1 DE 19843426165 DE19843426165 DE 19843426165 DE 3426165 A DE3426165 A DE 3426165A DE 3426165 A1 DE3426165 A1 DE 3426165A1
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Germany
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measuring element
meter according
force meter
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electrode
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DE19843426165
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German (de)
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Konstantin Dr. Greifensee Anagnostopoulos
Hans-Rudolf Dr. Uetikon Zullinger
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Mettler Toledo GmbH Germany
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Mettler Instrumente AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/148Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors using semiconductive material, e.g. silicon
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01GWEIGHING
    • G01G3/00Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing

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Abstract

A dynamometer is proposed having a measuring element which yields resiliently under load and an arrangement for capacitively detecting the spring deflection, which arrangement comprises a fixed and a movable electrode. In this case, the measuring element (12; 46; 90; 100) consists of silicon and is provided with a thin-film electrode (34'; 56, 58; 86'; 96'), the fixed electrode (34; 54, 60; 86; 96) is arranged on a substrate (14; 42, 52; 84; 94), and the measuring element is connected to the substrate via spacers (24; 48; 90, 92; 109) in a permanent fashion to form a module. The said features permit an extremely compact design for the measuring cell of the dynamometer and thus also of the dynamometer itself. Furthermore, they permit economic series production of the measuring cell with constant quality. Application, for example, for use in scales. <IMAGE>

Description

KraftmesserDynamometer

Die Erfindung betrifft einen Kraftmesser mit einem unter Last federnd nachgiebigen Messglied und mit einer Anordnung zur kapazitiven Erfassung der lastbedingten Einfederung des Messgliedes, umfassend eine ortsfeste und eine dem Messglied zugeordnete Elektrode.The invention relates to a dynamometer with a resilient under load flexible measuring element and with an arrangement for capacitive detection of the load-related Deflection of the measuring element, comprising a stationary and one assigned to the measuring element Electrode.

Derartige Kraftmesser sind beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 29 41 378 und der europäischen Patentanmeldung 0 017 581 bekannt. Die bekannten Kraftmesser zeichnen sich unter anderem durch einen relativ grossen Platzbedarf insbesondere in vertikaler Richtung (Richtung der Krafteinleitung) aus, in erster Linie bedingt durch die Bauhöhe der das Messglied und die Abtastung umfassenden Messzelle.Such dynamometers are for example from the German Offenlegungsschrift 29 41 378 and the European patent application 0 017 581 known. The known Force gauges are characterized, among other things, by a relatively large space requirement especially in the vertical direction (direction of force introduction), first of all Line due to the overall height of the measuring element and the scanning Measuring cell.

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, einen Kraftmesser mit auch in vertikaler Richtung kompaktem Aufbau zu schaffen, der gute Messeigenschaften hat und sich für wirtschaftliche Serienherstellung in reproduzierbar guter Qualität eignet. Diese Aufgabe ist im wesentlichen dann gelöst, wenn die Messzelle den genannten Bedingungen entspricht. Dementsprechend schlägt die Erfindung vor, dass bei einem Kraftmesser der eingangs genannten Art das Messglied aus Silizium besteht und mit einer Dünnschichtelektrode versehen ist, dass die ortsfeste Elektrode, ebenfalls als Dünnschichtelektrode, auf einem Substrat angeordnet ist, und dass das Messglied mit dem Substrat über Abstandshalter unlösbar zu einer Baugruppe verbunden ist. Wie später anhand von Beispielen deutlich werden wird, lassen sich unter Verwendung moderner Techniken und Materialien nach diesem Konzept sehr kompakte und einfach zu handhabende Messzellen herstellen.The present invention arose from the object of providing a dynamometer with a compact structure, also in the vertical direction, with good measuring properties and is committed to economical series production in reproducible good quality suitable. This task is essentially then resolved when the Measuring cell corresponds to the specified conditions. Accordingly, the invention proposes before that in a dynamometer of the type mentioned, the measuring element made of silicon exists and is provided with a thin-film electrode that the stationary electrode, also as a thin-film electrode, is arranged on a substrate, and that the measuring element is permanently connected to the substrate via spacers to form an assembly is. As will become clear later on the basis of examples, it is possible to use modern techniques and materials according to this concept very compact and simple Manufacture measuring cells to be handled.

Als Material für das Messglied kommt in erster Linie Reinsilizium in Form von Einkristallen infrage. Dabei haben sich Einkristalle in (111)- oder (100)-Orientierung als besonders vorteilhaft erwiesen, im Hinblick sowohl auf das Aetzverhalten wie auch auf das mechanische Verhalten.Pure silicon is primarily used as the material for the measuring element in the form of single crystals. Single crystals in (111) - or (100) orientation proved to be particularly advantageous with regard to both the Etching behavior as well as the mechanical behavior.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Substrat aus einem Borsilikatglas, dessen Wärmedehnung derjenigen des Messgliedes weitgehend entspricht. Eine andere vorteilhafte Ausbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ebenfalls aus Silizium besteht.In a preferred embodiment of the invention, the substrate is made made of borosilicate glass, the thermal expansion of which is largely that of the measuring element is equivalent to. Another advantageous embodiment is characterized in that the substrate is also made of silicon.

Die Abstandshalter sind vorzugsweise durch Aetzung des Substrates oder des Messgliedes gebildet. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Abstandshalter durch aufgetragene Schichten zu bilden. Die Abstandshalter weisen zweckmässigerweise die Form von Kreisringabschnitten auf oder aber sind rechteckig. Im letzteren Fall bietet sich beispielsweise die Methode des anisotropen Aetzens (bei Silizium der Orientierung 100) an.The spacers are preferably made by etching the substrate or the measuring element. Another advantageous option is to to form the spacers by applied layers. The spacers point expediently in the form of circular ring sections or else are rectangular. In the latter case, for example, the anisotropic etching method is available (for silicon with orientation 100).

In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die Elektroden Kreisflächen, welche von je einer Ringelektrode zur Homogenisierung des elektrischen Feldes (und damit zur Unterdrückung von Streukapazitäten) umgeben sind.In a preferred embodiment, the electrodes form circular areas, each of which has a ring electrode for homogenizing the electric field (and thus to oppression are surrounded by stray capacitances.

In einer anderen zweckmässigen Ausgestaltung sind die Elektroden rechteckig, was in manchen Fällen eine bessere Flächenausnützung erlaubt.In another useful embodiment, the electrodes are rectangular, which in some cases allows a better use of space.

In einer vorteilhaften Ausbildung ist das Messglied rechteckig, wobei ein zentrales Kraftaufnahmeelement über Biegelager bildende Dünnstellen mit einem steifen Rahmen verbunden ist.In an advantageous embodiment, the measuring element is rectangular, with a central force-absorbing element via flexible bearings forming thin spots with a rigid frame is connected.

Um beispielsweise Feuchtigkeitseinflüsse zu vermeiden, kann die Baugruppe hermetisch verschlossen sein.In order to avoid the effects of moisture, for example, the assembly be hermetically sealed.

In manchen Fällen ist es zweckmässig, wenn die Baugruppe als Dielektrikum ein nichtleitendes Fluid enthält. Dabei kann es sich z. B. um Oel handeln, wodurch ebenfalls das Eindringen von Luftfeuchtigkeit vermieden wird.In some cases it is useful if the assembly is used as a dielectric contains a non-conductive fluid. It can be, for. B. act to oil, whereby the penetration of air humidity is also avoided.

Eine vorteilhafte Variante wird darin gesehen, dass die Anschlussbahnen für die Elektroden in das Messglied bzw. das Substrat eindiffundiert sind. Damit kann die bei Verwendung der Dünnfilmtechnik unter Umständen störende Erhöhung reduziert werden.An advantageous variant is seen in that the connecting tracks for the electrodes are diffused into the measuring element or the substrate. In order to can reduce the increase, which may be disruptive when using thin-film technology will.

Zur Eliminierung gewisser Störeinflüsse und zur Erhöhung des Messsignals sieht eine weitere vorteilhafte Ausbildung vor, dass das Messglied zwischen zwei Substraten mit je einer ortsfesten Elektrode angeordnet ist.To eliminate certain disturbances and to increase the measurement signal Another advantageous embodiment provides that the measuring element is between two Substrates is arranged with a fixed electrode each.

Um von Temperaturschwankungen und anderen Störgrössen unabhängig zu sein, ist es zweckmässig, Referenzglieder vorzusehen. Dementsprechend wird in einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass auf einem gemeinsamen Substrat ein Messglied und ein Referenzglied angeordnet sind. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Variante ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied und das Referenzglied ein gemeinsames Bauteil bilden, wobei zusätzliche Abstandshalter den Elektrodenabstand des Referenzteils lastunabhängig konstant halten. Alternativ könnten zwei gleichartige Sensoren zueinander benachbart angeordnet sein, wobei ein Sensor mit der Messkraft beaufschlagt wird und der zweite nicht.In order to be independent of temperature fluctuations and other disturbances it is advisable to provide reference links. Accordingly, in a Another embodiment of the invention proposed that on a common substrate a measuring element and a reference element are arranged. A preferred embodiment this variant is characterized in that the measuring element and the reference element a Form common component, with additional spacers the electrode spacing of the reference part constant regardless of the load. Alternatively, two of the same type could be used Sensors are arranged adjacent to one another, one sensor with the measuring force is applied and the second is not.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der nicht massstäblichen Zeichnungen erläutert.Embodiments of the invention are described below with reference to not to scale drawings explained.

In den Zeichnungen ist Figur 1 ein Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel, entlang der Linie 1 - 1 in Figur 2, Figur 2 eine Draufsicht, Figur 3 ein Querschnitt entlang 3 - 3 in Figur 4, Figur 4 ein Diagonal schnitt entlang 4 - 4 in Figur 3, einschliesslich Oberteil, Figur 5 ein Blockschema von Schaltung und Auswertung, Figur 6 ein Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel, Figur 7 ein Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel, Figur 8 ein Schnitt (entlang 8 - 8 in Figur 9) durch ein viertes Ausführungsbeispiel, und Figur 9 eine Draufsicht auf das vierte Ausführungsbeispiel.In the drawings, Figure 1 is a section through a first embodiment, along the line 1-1 in Figure 2, Figure 2 is a plan view, Figure 3 is a cross section along 3 - 3 in Figure 4, Figure 4 is a diagonal section along 4 - 4 in Figure 3, including upper part, Figure 5 is a block diagram of the circuit and evaluation, FIG. 6 shows a section through a second exemplary embodiment, FIG. 7 shows a section through a third embodiment, Figure 8 a section (along 8 - 8 in Figure 9) through a fourth embodiment, and Figure 9 is a plan view of the fourth Embodiment.

Beispiel I (Figuren 1 bis 5) Eine Messzelle 10 umfasst ein Messglied 12 in Form eines quadratischen Silizium-Einkristalls und ein Substrat 14 aus Glas, etwa doppelt so dick wie das Messglied und ebenfalls quadratisch. Das Substrat 14 ist in einer stabilen Konsole 16 aus Metall eingeklebt. Die Messkraft F wird mittig auf das Messglied 12 aufgebracht.Example I (FIGS. 1 to 5) A measuring cell 10 comprises a measuring element 12 in the form of a square silicon single crystal and a substrate 14 made of glass, about twice as thick as the measuring element and also square. The substrate 14 is glued into a stable bracket 16 made of metal. The measuring force F is centered applied to the measuring element 12.

Die mechanischen Elemente, die den Kraftmesser vervollständigen, tragen nichts zum Verständnis der Erfindung bei und wurden daher weggelassen (z. B. Führung und Ausbildung des Kraftaufnehmers, Gehäuse etc.). Sie können beispielsweise nach Art der in der US-Patentschrift 4,291,776 beschriebenen Anordnung ausgestaltet sein.The mechanical elements that complete the dynamometer carry do not contribute to an understanding of the invention and have therefore been omitted (e.g. guidance and design of the force transducer, housing, etc.). For example, you can post Kind of the arrangement described in US Pat. No. 4,291,776.

Die Ausbildung von Messglied 12 und Substrat 14 wird besonders deutlich aus den Figuren 3 und 4. Das Substrat 14 weist vier Kreisringabschnitte 24 auf, die die Funktion von Abstandshaltern haben. Die Zwischenräume 26 dienen zum einen der Ventilation (Druck- und Temperaturausgleich), zum anderen dem Durchführen elektrischer Anschlüsse. Die von den Kreisringabschnitten 24 begrenzte Innenfläche zeigt eine dünne Elektrode in Form eines Ringes 28 mit zugehöriger Anschlussstelle 30 und Anschlussdraht 32 sowie eine Kreiselektrode 34 mit Anschlussstelle 36 und Anschlussdraht 38.The formation of measuring element 12 and substrate 14 is particularly clear from Figures 3 and 4. The substrate 14 has four circular ring sections 24, which have the function of spacers. The spaces 26 serve on the one hand the ventilation (pressure and temperature compensation), on the other hand the implementation of electrical Connections. The inner surface bounded by the circular ring sections 24 shows a thin electrode in the form of a ring 28 with an associated connection point 30 and connection wire 32 and a circular electrode 34 with connection point 36 and connection wire 38.

Das Messglied 12 (in Figur 3 nicht sichtbar) weist auf seiner dem Substrat 14 zugekehrten Fläche die gleiche Anordnung auf, bestehend aus Kreiselektrode 34' mit Anschlussstelle 36' und -draht 38' sowie Ringelektrode 28' mit Anschlussstelle 30' und -draht 32'. Die je zwei Kreis- und Ringelektroden 34, 34' bzw. 28, 28' liegen einander genau gegenüber, während die Anschlussstellen (30, 32, 30', 32' und 36, 38, 36', 38') diagonal versetzt sind: Die jeweils gegenüberliegende Ecke des Gegenstücks (Messglied 12 bzw. Substrat 14) ist aus Raumgründen (Zugänglichkeit der elektrischen Anschlüsse) entfernt.The measuring element 12 (not visible in Figure 3) has on its The surface facing the substrate 14 has the same arrangement, consisting of a circular electrode 34 'with connection point 36' and wire 38 'as well as ring electrode 28' with connection point 30 'and wire 32'. The two circular and ring electrodes 34, 34 'and 28, 28' are located exactly opposite each other, while the connection points (30, 32, 30 ', 32' and 36, 38, 36 ', 38') are offset diagonally: The opposite corner of the counterpart (Measuring element 12 or substrate 14) is due to space reasons (accessibility of the electrical Connections) removed.

Es ist hervorzuheben, dass die Zeichnungen zwar nicht massstäblich, jedoch stark vergrössert sind. Sowohl das Messglied 12 als auch das Substrat 14 des Beispiels weisen eine Fläche von nur etwa einem Quadratzentimeter auf, und ihre Dicke beträgt jeweils nur wenige Millimeter. Der Abstand der Elektroden 34, 34' voneinander liegt in der Grössenordnung von einigen Mikrometern.It should be emphasized that although the drawings are not to scale, but are greatly enlarged. Both the measuring element 12 and the substrate 14 of the example have an area of only about one square centimeter, and their Thickness is only a few millimeters in each case. The distance between the electrodes 34, 34 ' from each other is on the order of a few micrometers.

Das Blockschema der Figur 5 lässt die wesentlichen Elemente der elektrischen Schaltung erkennen. Der aus den Kreiselektroden 34, 34' bestehende Messkondensator ist über Signalleitungen 67, 67' an die beiden Eingänge eines Oszillators 66 (z. B. vom Typ 74 LS 624 von Texas Instruments) angeschlossen. Er liegt an einer Betriebsspannung von z. B.The block diagram of Figure 5 leaves the essential elements of the electrical Recognize circuit. The measuring capacitor consisting of the circular electrodes 34, 34 ' is connected via signal lines 67, 67 'to the two inputs of an oscillator 66 (e.g. B. Type 74 LS 624 from Texas Instruments) connected. It is due to an operating voltage from Z. B.

5 Volt. Die beiden Ringelektroden 28, 28 (fachsprachlich oft als 'guard rings' bezeichnet) sind über je einen Trennverstärker(1:1) 68, 68 an die Signalleitungen 67, 67' geführt.5 volts. The two ring electrodes 28, 28 (in technical terms often called 'guard rings') are each connected to the signal lines via an isolating amplifier (1: 1) 68, 68 67, 67 '.

Die beiden Trennverstärker 68, 68' haben einen hochohmigen Eingang und einen niederohmigen Ausgang. Dadurch ergibt sich eine weitgehende Entstörung des Messsignals bezüglich variabler Streukapaz itäten.The two isolating amplifiers 68, 68 'have a high-impedance input and a low-resistance output. This results in extensive interference suppression of the measurement signal with regard to variable scatter capacities.

Alternativ könnte auch ein anders aufgebauter Oszillator (66) verwendet werden, z. B. vom Typ LM 331 von National Semiconductor. In diesem Fall-wäre eine Messelektrode und eine Ringelektrode an Erde zu legen, und es könnte so einer der beiden Trennverstärker eingespart werden, da Streukapazitäten gegen Erde sich praktisch nicht auf das Messsignal auswirken.Alternatively, a differently constructed oscillator (66) could also be used be e.g. B. of the type LM 331 from National Semiconductor. In this case-would be one Put a measuring electrode and a ring electrode to earth, and it could be one of those two isolating amplifiers can be saved, since stray capacitances to earth are practical do not affect the measurement signal.

Beim Vorliegen von stromgesteuerten Oszillatoren mit Eigangswiderständen von virtuell null könnte sogar auf die Ringelektroden 28, 28' verzichtet werden.In the presence of current-controlled oscillators with input resistances of virtually zero, the ring electrodes 28, 28 'could even be dispensed with.

Die vom Oszillator 66 erzeugten Impulse werden während vorgegebener Perioden von einem Zähler 70 gezählt, die Summen in einen Speicher 72 übernommen und dann in einem Mikrocomputer 74 zum fertigen Messresultat verrechnet. Ueber einen vom Mikrocomputer 74 gesteuerten Decoder/Treiber 76 gelangt das Resultat dann zur Digitalanzeige 78. Ein Taktgeber (Quarzoszillator) 80 liefert die Grundfrequenz auch für den Mikrocomputer 74 sowie, über einen als Teiler wirkenden Zähler 82, die Steuersignale für den Beginn der Zählung, das Rücksetzen des Zählers 70 und die Uebernahme der Impuls summen in den Speicher 72 und von dort in den Mikrocomputer 74.The pulses generated by the oscillator 66 are predetermined during Periods are counted by a counter 70 and the sums are transferred to a memory 72 and then offset in a microcomputer 74 to form the finished measurement result. About one The decoder / driver 76 controlled by the microcomputer 74 then sends the result to the Digital display 78. A clock (crystal oscillator) 80 supplies the basic frequency also for the microcomputer 74 and, via a counter 82 acting as a divider, the control signals for starting counting, resetting the counter 70 and the takeover of the pulse buzz into the memory 72 and from there into the microcomputer 74.

Das Messprinzip ist bekannt und bedarf daher nur einer kurzen Erwähnung: Unter Last federt das Messglied 12 ein, die Kapazität des Messkondensators (Elektroden 34, 34') verändert sich. Aus der entsprechend veränderten Frequenz am Ausgang des Oszillators 66 lässt sich die wirkende Kraft (im Falle einer Waage: das Gewicht) ermitteln.The measuring principle is known and therefore only needs a brief mention: The measuring element 12 compresses under load, the capacitance of the measuring capacitor (electrodes 34, 34 ') changes. From the correspondingly changed frequency at the output of the Oscillator 66 can be the acting force (in the case of a scale: the weight) determine.

Herstellung der Baugruppe a) Messglied 12 Mittels Dünnfilmtechnik (z. B. Bedampfung) werden metallische Schichten aus einem Titan-Wolfram-Gemisch sowie aus Gold auf einen Silizium-Einkristall aufgebracht. Mittels Photolithographie werden aus der Metallschicht (Dicke in der Grössenordnung von einem Mikrometer) die Ring- und die Kreiselektrode 28' bzw. 34' und die zugehörigen Anschlussstellen 30' bzw.Production of the assembly a) Measuring element 12 using thin-film technology (e.g. vapor deposition) are metallic layers made of a titanium-tungsten mixture as well as gold applied to a silicon single crystal. Using photolithography are made from the metal layer (thickness of the order of one micrometer) the ring and circular electrodes 28 'and 34' and the associated connection points 30 'or

36' geformt. Die Anschlussdrähte 32', 38' aus Gold werden nach der als 'thermocompression bonding' bekannten Methode angebracht.36 'shaped. The connecting wires 32 ', 38' made of gold are after known as 'thermocompression bonding'.

b) Substrat 14 Es wird ein alkalihaltiges Borsilikatglas geringer Wärmedehnung verwendet (z. B. Schott 8330 oder Corning 7740). Das Glas wird mit z. B. durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) aufgebrachten dünnen Metallschichten aus einem Titan-Wolfram-Gemisch und Gold versehen und mit einem anschliessenden photolithographischen Prozess maskiert. Danach wird mit Flusssäure die Oberfläche geätzt, es entstehen die Abstandhalter in Form der Kreisringabschnitte 24. Dann wird die auf letzteren verbliebene Maskenschicht entfernt.b) Substrate 14 An alkali-containing borosilicate glass becomes less Thermal expansion used (e.g. Schott 8330 or Corning 7740). The glass comes with z. B. by cathode atomization (sputtering) applied thin metal layers made of a titanium-tungsten mixture and gold, followed by a masked photolithographic process. Then the surface is treated with hydrofluoric acid etched, it creates the spacers in the form of the circular ring sections 24. Then the mask layer remaining on the latter is removed.

Darauf folgt die Beschichtung mit den Elektroden und Anschlussstellen sowie das Aufbonden der Anschlussdrähte, wie oben unter a) beschrieben.This is followed by coating with the electrodes and connection points as well as the bonding of the connecting wires, as described above under a).

Sowohl das Messglied 12 als auch das Substrat 14 werden zweckmässigerweise nicht in Einzelstücken erzeugt, sondern nach bekannter Vielfachkopiermethode hergestellt, beispielsweise ausgehend von einem Standardformat von 4 x 4 Zoll, welches dann zertrennt wird.Both the measuring element 12 and the substrate 14 are expediently not produced in individual pieces, but produced according to the known multiple copying method, for example, based on a standard format of 4 x 4 inches, which then cuts will.

c) Herstellen der Baugruppe Jeweils ein Messglied 12 und ein Substrat 14 werden aufeinander gelegt und so positioniert, dass die Elektroden einander gegenüberliegen. Dann werden die beiden Elemente durch anodisches Bonden (bei einer Temperatur. von etwa 400 Grad Celsius und einer Spannung von etwa 800 Volt während ca. 10 Minuten) miteinander verbunden.c) Manufacture of the assembly. One measuring element 12 and one substrate in each case 14 are placed on top of one another and positioned so that the electrodes are opposite one another. Then the two elements are anodically bonded (at a temperature of around 400 degrees Celsius and a voltage of around 800 volts for around 10 minutes) connected with each other.

Alternativ zur Paarung Glas/Silizium könnten auch beide Elemente aus Silizium bestehen. Diese Variante hätte den Vorteil, dass man wegen des gleichen Materials nicht auf Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften wie auch im Wärmeverhalten Rücksicht nehmen müsste. Andererseits muss dann eines der Elemente mit einer (beispielsweise aufgesputterten) Glasschicht versehen werden, um das abschliessende anodische Bonden zu ermöglichen.As an alternative to the pairing of glass / silicon, both elements could also be made from Consist of silicon. This variant would have the advantage of being because of the same Material does not rely on differences in mechanical properties or in thermal behavior Have to be considerate. On the other hand, one of the elements must then be marked with a (for example sputtered) glass layer can be provided for the final anodic bonding to enable.

Alternativ könnten Messglied 12 und Substrat 14 auch durch die Wärmedruckmethode (thermocompression bonding') verbunden werden, nachdem die Verbindungsstellen durch Beschichtung mit Gold oder einem anderen geeigneten Metall entsprechend vorbereitet wurden. Sind die beiden Elemente 12 und 14 aus Silizium, so können sie auch mittels eutektischer Gemische von Silizium mit z.B. Gold oder Aluminium verbunden werden. Je nach den Gegebenheiten oder Anforderungen können in an sich bekannter Weise weitere Schichten zweckmässig sein, so z.B. als elektrisch isolierende Schicht zwischen Messglied bzw. Substrat und Elektrode und/oder als Schutzschicht gegen Feuchtigkeit über den Elektroden und zugehörigen Leiterbahnen.Alternatively, the measuring element 12 and substrate 14 could also be achieved by the thermal pressure method (thermocompression bonding ') after the connection points are through Plating with gold or another suitable metal prepared accordingly became. If the two elements 12 and 14 are made of silicon, they can also use eutectic mixtures of silicon with e.g. gold or aluminum. Depending on the circumstances or requirements, additional ones can be used in a manner known per se Layers can be useful, e.g. as an electrically insulating layer between Measuring element or substrate and electrode and / or as a protective layer against moisture over the electrodes and associated conductor tracks.

Als Materialien hierfür kämen beispielsweise Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid in Betracht.The materials used for this would be aluminum oxide or silicon dioxide, for example or silicon nitride into consideration.

Beispiel II (Figur 6) Das zweite Beispiel zeigt einen differentiell wirkenden Kraftmesser, der rotationssymmetrisch aufgebaut ist.Example II (Figure 6) The second example shows a differential acting dynamometer, which is constructed rotationally symmetrical.

Au5 einer Konsole 40 ist ein zylindrisches Substrat 42 aus Glas (oder Silizium) befestigt. Es weist einen dünnen, umlaufenden Kragen 44 auf. Das runde Messglied 46 aus Silizium verfügt über einen geschlossenen äusseren Kranz 48 sowie über mehrere vertikale Oeffnungen 50. Den oberen Abschluss der Baugruppe bildet ein als Verteilplatte5irkendes zweites Substrat w aus Glas oder Silizium in Form eines Zylinderabschnittes. Elektroden 54 - 60 in Form von konzentrischen Kreisflächen sind angebracht auf der Oberseite des Substrates 42 (54), auf beiden Seiten des Messgliedes 46 (56, 58) und auf der Unterseite der Verteilplatte 52 (60). Die drei Elemente 42, 46 und 52 sind wiederum zu einer Baugruppe fest verbunden, und zwar umlaufend über die Berührflächen 61.On a console 40 is a cylindrical substrate 42 made of glass (or Silicon) attached. It has a thin, circumferential collar 44. The round one Measuring element 46 made of silicon has a closed outer rim 48 as well over several vertical openings 50. The upper end of the assembly forms a second substrate w made of glass or silicon, in the form of a distribution plate a cylinder section. Electrodes 54-60 in the form of concentric circular areas are attached to the top of the substrate 42 (54), on both sides of the Measuring element 46 (56, 58) and on the underside of the distribution plate 52 (60). The three Elements 42, 46 and 52 are in turn firmly connected to form an assembly, namely circumferentially over the contact surfaces 61.

Es resultiert eine hermetisch geschlossene und damit z. B.The result is a hermetically sealed and thus z. B.

gegen Feuchtigkeit dichte Baugruppe. Den Druckausgleich zwischen oberem und unterem Raum erlauben die Durchlässe 50.assembly impervious to moisture. The pressure equalization between the upper and lower space allow the passages 50.

Wird über einen Kraftverteiler 62 mit äusserem Ringfuss 64 eine Kraft/eFingeleitet, so führt diese Kraft zu einer konzentrischen Verwölbung: Der Kranz 48 wird nach unten ausgelenkt, der Mittelteil des Messgliedes 46 wandert nach oben.If a force / eFin is directed via a force distributor 62 with an outer ring base 64, so this force leads to a concentric curvature: the rim 48 is after deflected at the bottom, the middle part of the measuring element 46 moves upwards.

Dementsprechend ändern sich in gegenläufigem Sinn die Kapazitäten zwischen den Elektroden 54 und 56 bzw. 58 und 60.Accordingly, the capacities change in the opposite direction between electrodes 54 and 56 and 58 and 60, respectively.

Werden die beiden entsprechend erhöhten bzw. erniedrigten Ausgangssignale beispielsweise mittels einer Quotientenbildung (C1/C2 oder besser C1-C2/Cl+C2) ausgewertet, so resultiert daraus eine Eliminierung einiger Störgrössen wie z. B.The two correspondingly increased or decreased output signals for example evaluated by means of a quotient formation (C1 / C2 or better C1-C2 / Cl + C2), this results in an elimination of some disturbances such as B.

Schwankungen der Temperatur.Fluctuations in temperature.

Die elektrische Schaltung kann derjenigen gemäss Figur 5 entsprechen. Es sind lediglich die Komponenten für die zusätzlichen Kondensatorelektroden 58, 60 zu ergänzen (Oszillator 66', Zähler 70', Speicher 72'). Ferner wäre das Arbeitsprogramm des Mikrocomputers 74 entsprechend anzupassen. Wie der die Trennverstärker 68, 68' betreffende Teil der Schaltung auszugestalten ist, hängt im Sinne der Ausführungen zu Beispiel I davon ab, welcher Oszillator (66, 66') verwendet wird und ob entsprechende Ringelektroden (28, 28') vorgesehen sind (in Figur 6 nicht gezeichnet). Alle hier genannten Modifikationen sind für sich gesehen dem Fachmann geläufig und bedürfen daher keiner näheren Darstellung.The electrical circuit can correspond to that according to FIG. There are only the components for the additional capacitor electrodes 58, 60 to be added (oscillator 66 ', Counter 70 ', memory 72'). Further the work program of the microcomputer 74 would have to be adapted accordingly. Again the isolating amplifier 68, 68 'relevant part of the circuit is to be designed depends within the meaning of the explanations relating to example I, it depends on which oscillator (66, 66 ') is used and whether corresponding ring electrodes (28, 28 ') are provided (not in FIG. 6 drawn). All of the modifications mentioned here are per se the person skilled in the art familiar and therefore do not require any further explanation.

Beispiel III (Figur 7) Ein rundes Substrat 84 aus Silizium verfügt über eine Kreiselektrode 86 und eine Ringelektrode 88. Ein rundes Messglied 90, dünner als das Substrat 84 und von etwas kleinerem Durchmesser, weist die entsprechenden Gegenelektroden 86' und 88' auf. Zwei Abstandshalter 91, 92 in Form von durch Unterbrechungen getrennten Kreisringabschnitten sind vorgesehen. Sie trennen den Bereich der Ringelektroden 88, 88' von demjenigen der Kreiselektroden 86, 86'. Bei mittiger Belastung durch die Messkraft F wird nur der Zentralbereich innerhalb der Abstandshalter 92 einfedern, der Abstand zwischen den Ringelektroden 88, 88' dagegen bleibt konstant. Auf diese Weise sind ein Messsensor und ein Referenzsensor in einer integralen Baugruppe vereinigt.Example III (Figure 7) A round substrate 84 made of silicon has via a circular electrode 86 and a ring electrode 88. A round measuring element 90, thinner than the substrate 84 and of slightly smaller diameter, has the corresponding Counter electrodes 86 'and 88'. Two spacers 91, 92 in the form of interruptions separate circular ring sections are provided. They separate the area of the ring electrodes 88, 88 'from that of the circular electrodes 86, 86'. With central load through the measuring force F will only compress the central area within the spacers 92, the distance between the ring electrodes 88, 88 ', however, remains constant. To this A measuring sensor and a reference sensor are combined in an integral assembly.

Die Anordnung der Zuleitungen zu den Elektroden entspricht im wesentlichen derjenigen gemäss Beispiel I (vgl. Figuren 1 - 4), ebenso die Herstellung der Baugruppe. Lediglich die Abstandshalter 91, 92 sind in diesem Fall anders erzeugt, nämlich durch Aufbringen (Aufsputtern) einer Glasschicht der gewünschten Höhe (einige Mikrometer) durch eine Maske.The arrangement of the leads to the electrodes is essentially the same those according to Example I (see FIGS. 1 - 4), as well as the manufacture of the assembly. Only the spacers 91, 92 are produced differently in this case, namely by applying (sputtering) a layer of glass of the desired height (a few micrometers) through a mask.

Beispiel IV (Figuren 8 und 9) Das letzte Ausführungsbeispiel zeigt eine Messzelle in rechteckiger Gestalt. Ein Substrat 94 verfügt über eine quadrati- sche Elektrode 96 (sie könnte auch rund sein) und eine diese umgebende rechteckige (hier: quadratische) Rahmenelektrode 98.Example IV (Figures 8 and 9) The last embodiment shows a measuring cell in a rectangular shape. A substrate 94 has a square sch Electrode 96 (it could also be round) and a rectangular one surrounding it (here: square) frame electrode 98.

Ein Messglied 100 mit quadratischer Grundfläche weist am Boden eine ebenfalls quadratische, durch Aetzen erzeugte Ausnehmung 102 auf, in welcher die Elektrode 96' und die Rahmenelektrode 98' angeordnet sind. Das Zentrum 104 des Messgliedes 100 hat etwa die Form eines Pyramidenstumpfs und dient zur Aufnahme der Messkraft, die punktförmig oder als Flächenkraft eingeleitet werden kann. Für den ersten Fall ist eine Vertiefung 105 in der Mitte des Zentrums 104 vorgesehen; im zweiten Fall mag eine Kappe 107 verwendet werden (vgl.Figur 8) Es ist über vier rechteckige, als Biegelager wirkende dünne Streifen 106 mit dem äusseren steifen Rahmen 108 verbunden.A measuring element 100 with a square base has a on the bottom also square recess 102 produced by etching, in which the Electrode 96 'and the frame electrode 98' are arranged. The center 104 of the measuring link 100 has the shape of a truncated pyramid and is used to absorb the measuring force, which can be introduced punctiform or as a surface force. For the first case a recess 105 is provided in the middle of the center 104; in the second case a cap 107 may be used (see Figure 8) It is about four rectangular, Thin strips 106 acting as flexible bearings are connected to the outer rigid frame 108.

In den vier Ecken sorgen Durchbrechungen 110 für gegenseitige Trennung der Biegelager. Der die Ausnehmung 102 begrenzende umlaufende Fuss 109 des Rahmens 108 hat die Funktion des Abstandhalters.Openings 110 in the four corners ensure mutual separation the bending bearing. The circumferential foot 109 of the frame that delimits the recess 102 108 acts as a spacer.

In Figur 9 sind rechts zwei Lötstellen 112, 114 erkennbar mit Anschlussdrähten 116, 118. Links im Bild sind zwei weitere Lötstellen 120, 122 zu sehen mit Drähten 124, 126. Lötstelle 114 gehört zur (unteren) Elektrode 96, Lötstelle 122 zur (oberen) Elektrode 96'. Entsprechend gehören die Lötstelle 112 zur (unteren) Rahmenelektrode 98 und die Lötstelle 120 zur (oberen) Rahmenelektrode 98'. Die elektrische Verbindung zwischen den oberen Elektroden und den Lötstellen auf dem Substrat 94 geschieht dadurch, dass die entsprechendenLeiterbahnenabschnitte 128, 130 auf dem Messglied 100 und auf dem Substrat 94 vorgesehen sind. Beim Zusammenfügen der Baugruppen durch anodisches Bonden (gemäss c) in Beispiel I) nach gehörigem Positionieren werden die jeweils zusammengehörenden Leiterbahnabschnitte 128 bzw. 130 durch 'thermocompression bonding' leitend verbunden. Anschliessend können dann die Drähte (116, 118, 124, 126) angefügt werden.In FIG. 9, two solder points 112, 114 with connecting wires can be seen on the right 116, 118. On the left in the picture you can see two more soldering points 120, 122 with wires 124, 126.Solder 114 belongs to the (lower) electrode 96, solder 122 to the (upper) Electrode 96 '. Correspondingly, the soldering point 112 belongs to the (lower) frame electrode 98 and the soldering point 120 to the (upper) frame electrode 98 '. The electrical connection happens between the top electrodes and the solder points on substrate 94 in that the corresponding conductor track sections 128, 130 on the sensing element 100 and are provided on the substrate 94. When assembling the assemblies through anodic bonding (according to c) in example I) after proper positioning the respective interconnecting conductor track sections 128 and 130 by 'thermocompression' bonding 'conductively connected. Then the wires (116, 118, 124, 126) can be added.

Bei Belastung des Messgliedes 100 federt nur der Innenteil ein, während der starre Rahmen 108 seine Lage nicht ändert.When the measuring element 100 is loaded, only the inner part compresses while the rigid frame 108 does not change position.

Dementsprechend wirken die Elektroden 96, 96' wiederum als Messteil und die Elektroden 98, 98' als Referenzteil.Correspondingly, the electrodes 96, 96 'again act as a measuring part and the electrodes 98, 98 'as a reference part.

Ein Vorteil der Ausgestaltung mit starrem Zentrum 104 ist darin zu sehen, dass der Elektrodenabstand bei der Einfederung sich über die ganze Fläche praktisch gleich verändert (Parallelführung des Zentrums 104 durch die Biegelager 106); daraus resultiert ein höheres Messsignal als im Falle einer Verwölbung (wie bei den Beispielen I bis III). -Für gesteigerte Ansprüche an die Messqualität ist es möglich, gesonderte Fühler für einzelne Störgrössen (z. B. Temperatur, Luftdruck, Feuchtigkeit) vorzusehen, mit deren Ausgangsgrössen dann jeweils einen weiteren Oszillator zu beaufschlagen und die resultierenden Frequenzen auszuzählen und nach entsprechenden Korrekturformeln im Mikrocomputer zum korrigierten Messwert zu verrechnen.One advantage of the rigid center 104 configuration is therein see that the electrode gap extends over the entire surface during compression changed practically the same (parallel guidance of the center 104 through the flexure bearings 106); this results in a higher measurement signal than in the case of warping (such as in Examples I to III). -For increased demands on the measurement quality it is possible to use separate sensors for individual disturbance variables (e.g. temperature, air pressure, Humidity), with their output parameters then a further one To apply the oscillator and to count the resulting frequencies and after to offset the corresponding correction formulas in the microcomputer for the corrected measured value.

Es versteht sich, dass die oben beschriebene Signalwandlung nur ein Beispiel ist. Andere Methoden sind gleichermassen anwendbar, so z. B. im Falle der Beispiele II und III die bekannte Brückenschaltung nach Wheatstone.It goes without saying that the signal conversion described above is only one Example is. Other methods are equally applicable, e.g. B. in the case of Examples II and III the known Wheatstone bridge circuit.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemässen Kraftmessers könnten in die aus Messglied und Substrat bestehende Baugruppe noch weitere Elemente integriert werden, so z. B.In a further embodiment of the dynamometer according to the invention, further elements are integrated into the assembly consisting of measuring element and substrate be, so z. B.

elektronische Bestandteile der Auswerteschaltung in Form von integrierten Schaltungen auf dem Substrat (wofür das Substrat entsprechend zu verbreitern wäre), was den Herstellungsprozess des Kraftmessers weiter rationalisieren würde.electronic components of the evaluation circuit in the form of integrated Circuits on the substrate (for which the substrate would have to be widened accordingly), which would further streamline the dynamometer manufacturing process.

Abschliessend sei nochmals auf einige wesentliche Aspekte der beschriebenen Kraftmesser hingewiesen: Zur Erzielung möglichst grosser lastbedingter Kapazitätsänderungen (und damit grosser Messsignale) sind genau erfassbare kleine Abstände zwischen den Elektroden erwünscht bzw. notwendig.To conclude, let’s come back to some essential aspects of those described Force meter pointed out: To achieve the greatest possible load-related changes in capacity (and thus large measurement signals) are precisely detectable small distances between the Electrodes desired or necessary.

Diese kleinen Abstände werden ermöglicht durch die Verwendung von Glas und/oder Silizium, die heute in guter Ober flächenqualität zur Verfügung stehen. Unter Anwendung von Dünnfilm- und Aetztechniken wird damit die Erfüllung obiger Bedingung ermöglicht, ohne dass es präziser (und damit teurer) mechanischer Teile bedarf. Eine kostengünstige Serienherstellung ist so realisierbar. Die guten mechanischen Eigenschaften insbesondere des Reinsiliziums (z. B. hinsichtlich geringer Kriechneigung und der im interessierenden Bereich praktisch idealen Federkennlinie) gewährleisten dabei gute Messqualität.These small spaces are made possible by the use of Glass and / or silicon, which are available today with a good surface quality. With the use of thin film and etching techniques, this becomes the fulfillment above Condition allows without it being more precise (and therefore more expensive) mechanical parts requirement. In this way, inexpensive series production can be realized. The good mechanical ones Properties of pure silicon in particular (e.g. with regard to low tendency to creep and the practically ideal spring characteristic in the area of interest) good measurement quality.

In den beschriebenen Beispielen wurden die Elektroden durch Aufbautechniken wie Sputtern.oder Aufdampfen erzeugt. Im Rahmen der Erfindung könnten auch andere bekannte Techniken angewendet werden, wie z.B. hohes Dotieren von Silizium-Substraten. Alle diese Varianten sollen durch den Begriff "Dünnschichtelektroden" umfasst sein.In the examples described, the electrodes were made by building-up techniques such as sputtering. or vapor deposition. Others could also be within the scope of the invention known techniques can be used, such as high doping of silicon substrates. All of these variants are intended to be encompassed by the term “thin-film electrodes”.

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Claims (17)

Patentansprüche 1. Kraftmesser mit einem unter Last federnd nachgiebigen ½ Messglied und mit einer Anordnung zur kapazitiven Erfassung der lastbedingten Einfederung des Messgliedes, umfassend eine ortsfeste und eine dem Messglied zugeordnete Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass - das Messglied (12; 46; 90; 100) aus Silizium besteht und mit einer Dünnschichtelektrode (34'; 56, 58; 86'; 96') versehen ist, - die ortsfeste Elektrode (34; 54, 60; 86; 96), ebenfalls als Dünnschichtelektrode, auf einem Substrat (14; 42, 52; 84; 94) angeordnet ist, und - das Messglied mit dem Substrat über Abstandshalter (24; 48; 90, 92; 109) unlösbar zu einer Baugruppe verbunden ist.Claims 1. Dynamometer with a resiliently yielding under load ½ measuring element and with an arrangement for capacitive detection of the load-related Deflection of the measuring element, comprising a stationary and one assigned to the measuring element Electrode, characterized in that - the measuring element (12; 46; 90; 100) made of silicon and is provided with a thin-film electrode (34 '; 56, 58; 86'; 96 '), - The stationary electrode (34; 54, 60; 86; 96), also as a thin-film electrode, is arranged on a substrate (14; 42, 52; 84; 94), and - the measuring element with the substrate via spacers (24; 48; 90, 92; 109) inextricably linked to form an assembly connected is. 2. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Borsilikatglas besteht, dessen Wärmedehnung derjenigen des Messgliedes weitgehend entspricht.2. Force meter according to claim 1, characterized in that the substrate consists of a borosilicate glass, the thermal expansion of which is that of the measuring element largely corresponds. 3. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ebenfalls aus Silizium besteht.3. Force meter according to claim 1, characterized in that the substrate also consists of silicon. 4. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter durch Aetzung des Substrates oder des Messgliedes gebildet sind. 4. Force meter according to claim 1, characterized in that the Spacers are formed by etching the substrate or the measuring element. 5. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter durch aufgetragene Schichten gebildet sind. 5. Force meter according to claim 1, characterized in that the Spacers are formed by applied layers. 6. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (24) die Form von Kreisringabschnitten aufweisen. 6. Force meter according to claim 1, characterized in that the Spacers (24) have the shape of circular ring sections. 7. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass t die Abstandshalter (109) rechteckig sind. 7. Force meter according to claim 1, characterized in that t the Spacers (109) are rectangular. 8. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (34, 34') Kreisflächen bilden, welche von je einer Ringelektrode (28, 28') umgeben sind. 8. Force meter according to claim 1, characterized in that the Electrodes (34, 34 ') form circular areas, each of which is supported by a ring electrode (28, 28 ') are surrounded. 9. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (96, 96') rechteckig sind. 9. Force meter according to claim 1, characterized in that the Electrodes (96, 96 ') are rectangular. 10. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (100) rechteckig ist, wobei ein zentrales Kraftaufnahmeelement (104) über Biegelager bildende Dünnstellen (106) mit einem steifen Rahmen (108) verbunden ist.10. Force meter according to claim 1, characterized in that the Measuring element (100) is rectangular, with a central force-absorbing element (104) over Bending bearing forming thin points (106) is connected to a rigid frame (108). 11. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe hermetisch verschlossen ist.11. Force meter according to claim 1, characterized in that the Assembly is hermetically sealed. 12. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe als Dielektrikum ein nichtleitendes Fluid enthält.12. Force meter according to claim 1, characterized in that the Assembly contains a non-conductive fluid as a dielectric. 13. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbahnen für die Elektroden in das Messglied bzw. das Substrat eindiffundiert sind.13. Force meter according to claim 1, characterized in that the Connection tracks for the electrodes in the measuring element or the substrate diffused are. 14. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied (46) zwischen zwei Substraten (42, 52) mit je einer ortsfesten Elektrode (54, 60) angeordnet ist.14. Force meter according to claim 1, characterized in that the Measuring element (46) between two substrates (42, 52) each with a stationary electrode (54, 60) is arranged. 15. Kraftmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem gemeinsamen Substrat ein Messglied und ein Referenzglied angeordnet sind.15. Force meter according to claim 1, characterized in that on A measuring element and a reference element are arranged on a common substrate. 16. Kraftmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Messglied und das Referenzglied ein gemeinsames Bauteil (90) bilden, wobei zusätzliche Abstandshalter (92) den Elektrodenabstand des Referenzteils lastunabhängig konstant halten.16. Force meter according to claim 15, characterized in that the The measuring element and the reference element share a common Form component (90), with additional spacers (92) the electrode spacing of the reference part independent of the load keep constant. 17. Kraftmesser nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe ferner integrierte Schaltungen als Bestandteil der Auswerteschaltung umfasst.17. Force gauge according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the assembly also includes integrated circuits as a component the evaluation circuit includes.
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