DE1648745A1 - Auf Druck ansprechende Einrichtung mit einem Halbleiter-Wandler - Google Patents

Description

PATENTANWÄL

DIPL.-INQ. F. THIELEKE DR.-ING. R. DORINQ DIPL.-PHYS. DR. J. F⁷RICKE

BRAUNSCHWEIG - MÜNCHEN 1 r« / ο>7 / r-

Io4o /45.

TüYOüA ,...iUiilKiu .0;fk3, LTi). 1, 1-chome, Asahicho, ilariya, Aichi prefecture, Japan

.Auf ;Jrrck ansprechende ^inrichtunp; mit einem

Halblei ter-./andler

Jie Erfindung betrifft eine auf Druck ansprechende Einrichtung mit einem n^lbleiter-.andlei', einem die Druckanderungeii auf den .,andler übertragenden Slement und einer Einrichtung zur Teühjeraturkouipensation. Derartige iiinri chtungen werden zur i_V.eßunr>,' von Drücken und d'^1. verwendet. Der ..andler erzeugt ein mit den ürücken variierendes elektrisches Signal, .velciies einem mit den /andler verbundenen elektrischen ßießkreis zugeführt wird.

iis ist allgemein bekannt, dal.i Halbleiter, z.ß. Germanium, Silizium, sowie Germaniuiii-Gilizium-Legierungen und intermetallische vferbinduqspn, z.ß. InSb und dgl. als iialbleiter-,i^randlerelemente verwendet worden sind, indem man die piezo-elektrischen eigenschaften von iiinkristallen ausgenutzt hat. Durch die piezo-elektrischen Eigenschaften ist der elektrische spezifische .«if'erstand solcher iialbleiterelemente empfindlich ge-renülier mechanischen Beanspruchungen, die auf den Halbleiter einwirken, wobei sich die Ansprechbarkeit proportional

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mit den mechanischen Beanspruchungen ändert. Aus diesem Grunde werden Halbleiter im weiten Umfange als ..andlerelemente zur Umwandlung von Jruckänderungen in elektrische Signalanderurigen verwendet, um die iiruckHnderiingen mit hoher Empfindlichkeit zu messen. Jedoch hat sich gezeigt, daß die üimvaridlungsei/eiischaften des elektrischen si>ezif ischeu Widerstandes in ijezug auf mechanische Belastungen zu ,-»ch'vlerigkeiten führen, die nennenswerte Fehler unter dem Einfluß der Onipcebun^stemueraturen zur Folge haben. Um liiese ücinvieriäskeiten zu vermeiden, sind verschiedene iuittel zur Tempera turkomjjensation untersucht worden auf ihre Brauchbarkeit zur Verwendung bei diesen -laljleiter-, /andlerelementen. Z.B. hat man zwei unterschiedliche Elemente verwendet und zwar das eine für die aktive 3eite und das andere für die Ausgleichsseite, welche getrennt voneinander auf eine verformbare j.iembran angeordnet werden, um die Druckvariationen zu messen, ^s konnte bis jetzt ,iedoch kein brauchbares oder '"irksames Mittel für eine solche i'e.a jeraturkomnensation gefunden werden.

i3fe ist Aufgabe der vorliegenden !Erfindung, eine äi der eingangs angegebenen Art so weiterzubilden, daß eine vollständige Kompensation von Fehlern stattfindet, die auf Verände rungen der Umgebungstemperaturen beruhen, wobei gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit für die "üruckmessunsen erzielt wird, so daß die oben erwähnten Nachteile weitgehend eliminiert werden können.

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Der Lösung dieser Aufgabe liegt die folgende Erkenntnis zu Grunde: iemi eine Scheibe entlang ihres Umfanges festgehalten ist und einer gleichmäßigen Druckbelastung; ausgesetzt wird, läßt sich die radiale .Spannung (öV)» welche die Scheibe unterworfen ist, wie folgt wiedergegeben:

In dieser Formel bedeuten: h die Dicke der Scheibe

ρ die Druckbelastung

8 der ocheibenradius

|/"das poissonsche Verhältnis des Scheibenmaterials

r der Radius irgendeines vorgegebenen Punktes.

«us dieser Formel errechnet man für die Wert 6V~= 0, den Üadius: r = 0,63R.

Dieses iirgebnis bedeutet, daß ein Punkt auf der Scheibe mit einem Radius gleich 0,63R ein Spannungsumwandlungspunkt ist und daß auf dem mittleren Bereich der Scheibe innerhalb der Grenze eines konzentrischen Kreises mit dein Hadius 0,63R eine positive Spannung (also eine Zugspannung) herrscht, während auf dem äußeren Umfr.ngsbereicr der Scheibe außerhalb der angegebenen Grenze ein negativer Spannungsbereich, (also eine Druckspannung) erzeugt wird. Dadurch wird eine positive Sy^annungs-

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aktivierungszone und eine negative Spannungsaktivierungszone gebildet. Weiterhin läßt sich bestätigen, daß die radialen Spannungen, die auf dem äußeren Umfangsbereich erzeugt werden^ ein Maximum sind, also größer sind als jene, die im zentralen Bereich wirksam sind.

Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis sieht die Erfindung zur Lösung der oben gestellten. Auf gäbe vor, daß als Übertragungselement eine an einem Ende eines Gehäuses mit dem Umfangsrand fest eingespannte flexible scheibenförmige Membran dient und als Wandler ein einziges als Deformationskomponente dienendes Wandlerelement in Form einer Schicht eines monokristallinen Halbleiters vorgesehen ist, dessen spannungsempfindlicher Bereich im wesentlichen in zwei Abschnitte durch Anbringung von Leitungsanschlüssen, die jeweils über die volle Schichtbreite reichenι an den Enden und in einem mittleren Bereich des in Längsrichtung seine größte Empfindlichkeit aufweisenden Halbleiterelements unterteilt ist, und daß der Halbleiter in radialer !Richtung auf der'Membran so angeordnet ist, daß seine beiden Bereiche jeweils in eine positive Spannungsaktivierungszone und in eine negative SpannungsaktivierungsEone reichen, wobei der mittlere Leitungsanschluß wenigstens teilweise mit einer . Übergangszone zwischen den beiden Aktivierungsssonen zusammenfällt und die drei Leitungsanschlüsse salt cittern äußeren Meßkreis verbunden sind. Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß der Spannungseffekt auch das Element im wesentlichen in zwei

Teil« unterteilt wird, und zwar mit Hilfe d*»r Anbringung der \

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Zuführungsleitungsanschlüsse. Die Unterteilung erfolgt dabei an der Übergangsgrenze zwischen positiver und negativer Spannungszone. Wesentlich ist dabei, daß die Kristallorientierung der maximalen Empfindlichkeit des Elements zusammenfällt mit der radialen dichtung bezogen auf die scheibenförmige Membran.

i Auf Grund der Unterteilung des Spannungseffektea in zwei Teile | ein und desselben Elementes, welches auf der" Oberfläche der . ^: Membran angeordnet ist, wird der Temperaturkoeffizient des ; Widerstandes gleich, so daß eine Selbstkompensation der Tempe- f ratur erreicht wird und eine höhere Empfindlichkeit und eine höhere Ausgangsleistung erwartet werden können*

Die flexible scheibenförmige Membran· kann mit Hilfe einer Hai- '

terung an einem Ende des Gehäuses fest mit dem Umfang feetge- j

legt werden« Das Element ist in radialer Kichtung vorzugsweise j

auf der Innenfläche der Membran so angeordnet, daß es in die ) beiden Aktivierungezonen reicht*

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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an meberen Ausführungsbeispielen näher erläutert·

Fig. t zeigt einen Längsschnitt einer Auaführungsfor» nach der vorliegenden Erfindung* '

Fig. 2 und 3 sind Schnitte entlang der Schnittlinien IZ-II baw. nach Fig. 1,

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Fig» 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Membran eines anderen Ausführungebeispiels·

Fig. 5 veranschaulicht schenatisch den Zustand der Spannungs- V verteilung auf einer Membran, die nach der Erfindung ausgebildet ist, während

Figi 6 eine schsmatisch* Ansicht «es äußeren Meßkreis sun Feststellen und Festhalten des Ausgangs des Spannungswandlerelenentes wiedergibt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist bei einen Ausführungsbeiepiel einer druckempfindlichen Vorrichtung gemäß der Erfindung ein hohles sylindrisches Genaue· 2 vorgesehen, welches an seine« einen Ende eine kreisförmige Ausnehmung 2b aufweist· In dieser Ausnehmung 1st ein Stützglied .3 Befestigt. Auf der äußeren Fläche liegt ein kreisfttrniger Vorsprung 3a koaxial su den Gehäuse, um eine flexible scheibenförmige Membran 4 aufasunehaen, und swar mit Hilf· «ines äußeren Unfangsflanscb.es 4a. Di· Membran wird festgehalten nit Hilfe eines Befestigungering·· 5, der amf der Außenseite des Flansches 4a angebracht ist.

Ba die Membran entlang ihr·· äußeren Umfangeβ auf dem Stützglied 3 fest gesichert 1st, bildet sich, wie oben näher erläutert, «ine pea it i ve Spannungsaktivientngssone im zentralen

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Bereich und eine negative Spannungsaktivierungszone am äußeren Umfangsbereich. Gemäß der Erfindung wird eine einzige Schicht eines uandlerelements in Form eines Halbleiters G so angebracht und fixiert, daß die Schicht in die positive und die negative Spannungsaktivierungszone auf der Innenfläche der Membran hineinragt. V/eiterhin wird gemäß Fig. 2 ein Leitungsanschluß a in der vollen Breite dieser Schicht in einer Stillung dieser Schicht angebracht, welche der Spannungsurauandlungszone X der Membran 4 entspricht« Hierdurch wird die Schicht in zwei Teile unterteilt: Einem positiven epannungsempfindlichen Teil Gl und einem negativen spannungsempfindlichen Teil G2. Die Kristallorientierung der maximalen Empfindlichkeit der Schicht G fällt zusammen mit der Richtung eines Radius der Membran 4. Gemäß allgemeiner Praxis wird die Schicht G auf einer Fläche der Membran 4 mit einer eingefügten Zwischenschicht in Form eines isolierenden Films aus Glaswolle oder Bindematerial aufgebracht und mit Hilfe eines weiteren Films abgedeckt. Es ist jedoch auch möglich, das Wandlerelement in einer solchen Weise herzustellen, daß eine Schicht eines monokristallinen Halbleiters im Vakuum auf die Innenfläche der Membran aufgedampft und dann mit Hilfe eines Ätz vor-

ganges die Schicht in einen Einkristall überführt wird, wobei die Schicht sich über die beiden Spannungsaktivierungszonen, nämlich die positive und die negative erstreckt. Zur gleichen Zeit wird der Kristalljdotiert. Es ist weiterhin möglich, Bin £o3eii^P Ws»*lereleitent in einer solchen "weise herzustellen, daß αβη aaf die Innenfläche der Membran eine Maske mit

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einem Fenster aufbringt, das entsprechend der Form eines auf die Membran aufzubringenden Wandlerelementes gestaltet ist, worauf eine Schicht eines monokristallinen Halbleiters, weleher bereits im Vakuum dotiert wordejti ist, direkt auf die Maske aufgedampft wird.

Das auf diese Weise vorbereitete Wandlerelement G weist weitere Leitungsanschlüsse b und c an den beiden Enden auf. Die Leitungsdrähte a, b und c werden aus dem Stützglied 5 durch schmale Bohrungen herausgeführt und mit Endanschlüssen d¹, e¹ und f' verbunden, die voneinander isoliert sind. Von dort führen weitere Leitungen D, E, F zur Bildung eines Brückenkreises, in welchem die positiven spannungsempfindlichen Teile Gl und der negative spannungsempfindliche Teil G2 so angeschlossen sind, daß sie die benachbarten Arme des Brückenkreises bilden. Die Drähte D, E, F werden durch ein Glied 6 ' unterstützt, welches mit Hilfe einer Kappe 7 am anderen Ende des Gehäuses2jgehalten ist. Ein Schraubteil 2a in der Nachbarschaft ,des vorderen lindes des Gehäuses 2 dient dazu, diese Vorrichtung an einer Wand 8 eines Kessels, der eine Druckatmosphäre enthält, die genessen werden soll, zu befestigen. V»^rie Fig. 6 zeigt, sind die nach außen führenden Drähte D, E, F mit einer elektrischen Eingangsquelle 10. und einem Ausgangsaufnahaekreis 11 über ein Anschlussstück 9 verbunden, so daß auf elektrische Weise ein Ausgangssignax entsprechend den zu messenden Druckveränderungen aufgezeichnet werden kann. Die abfüh renden Drähte E und F sind alt einer Gleichstromquelle 10 ver-

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bunden, welche die Eingangsseite bildet und der Ausgangsdraht D und der Schieber oder Gleitkontakt 12 eines einstellbaren geshunteten Widerstandes VR dienen zur Ausbalancierung des Brükkenkreises und stellen die Ausgangsseite dar. Über diesen Ausgangskreis wird ein Anzeigeinstrument, z.B. ein Voltmeter« ein Amperemeter und ein Synchroskop oder eine Aufzeichnungsvorrichtung, z.B. ein Oszillograph od.dgl. betätigt.

anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das einzige Wandlerelement länger als der Radius der Membran und wird so verwendet, daß seine volle Länge ausgenutzt werden kann. Bei dieser Anordnung ist die wirksame Länge des positiven spannungsempfindlichen Teils Gl* und des negativen spannungsempfindlichen Teils G2' unterschiedlich. Unabhängig davon wird eine vollständige Temperaturkompensation erzielt und zwar auf Grund der gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes der beiden spannungsempfindlichen Teile. Durch Verwendung eines ^ breiteren Leitungsanschlusses a¹, welcher sich mehr zur Mitte der Membran erstreckt und zwar von der Spannungsänderungszone X und damit durch Kurzschließen eines Teils des Elementes ist es möglich, die effektiven'Längen der beiden empfindlichen Tei~* le Gl¹ und G2¹ aneinander anzugleichen.

In der Vorrichtung, die auf diese Weise aufgebaut ist, wird nach Abgleichen des Brückenkreises durci» Einstellen des veränderlichem Widerstandes Vk des Meßkreises nach Flg« 6 der druck

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empfindliche Teil am vorderen Ende der Vorrichtung 1 in eine zu messende Druckatmosphäre eingeführt.

Durch diesen Vorgang wird entsprechend des auf die Membran 4 einwirkenden Druckes der spezifische widerstand der beiden spannungsempfindlichen Teile Gl und G2 des Wandlerelementes G, welches an der Membran 4 angebracht ist, vergrößert oder verkleinert und zwar in jeweils unter der wirkung der positiven und negativen Spannungen. In dem Falle wird die Brücke aus ihrem abgeglichenem Zustand gebracht und es werden Ausgangssignale in elektrische Spannungen oder Ströme umgewandelt, welche an der Ausgangsseite abgenommen werden können und unmittelbar in Druckeinheiten abgelesen werden können.

Wie aus dem vorstehenden deutlich wird, ist bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung die Kristallisationsrichtung der maximalen Empfindlichkeit des Wandlerelementes G stets in der radialen dichtung der Membran 4. Es werden daher auch Spannungen nur von radialer Richtung gefühlt und gemessen. Y/eiterhin ist das einzige Element unterteilt in zwei empfindliche Teile Gl und G2, welche auf positive und negative. Spannungen ansprechen, so daß eine sich ergebende höhere Empfindlichkeit und ein höheres Ausgangssignal aus den beiden empfindlichen Teilen erhalten wird.

Da weiterhin/üae Element als einziges Wandler element vorgesehen ist, ist der Temperaturkoeffizient des Widerstandes genau gleich und jeder Fehler am Ausgang der beiden empfindlichen Teile auf

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Grund Temperaturänderungen wird im Brückenkreis kompensiert, so daß die Ausgangssignale ausschließlich proportional den .reinen Druckänderungen sind, man also eine vollständige Temperaturkompensation erzielt. Da weiterhin das einzige Element über awei idctivierungszonen, nämlich die positive und die negative, erstreckt werden kann, kann ein relativ groß bemessenes Element verglichen mit dem Eadius der Membran verwendet werden, so daß die Kontaktfläche des Elementes größer wird und der Kriecheffekt vermindert wird, während die Dauerhaftigkeit €er Λ auf Druck ansprechenden Teile verbessert ist. Dadurch wird es möglich, ein druckempfindliches Element von ausgesprochen kleinen Abmessungen herzustellen, z.B. ein Element mit einer Membran, deren Durchmesser kleiner als 10 mm ist.

Ansprüche

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Claims (4)

Ansprüche

1. Auf Druck ansprechend· Einrichtung mit einem Halbleiter-Wandler, einem die Druckänderungen auf den Wandler über-

tragenden Element und einer Einrichtung zur Temperatur-Kompensation des Wandlers, dadurch gekennzeichnet , daß als Übertragungselement eine mit dem Umfangsrand sicher festgelegte, flexible scheibenförmige Membran dient und als Wandler ein einziges , als Deformationskomponent dienendes .Wandlerelement in Form einer Schicht (Q) eines monokristallinen Halbleiters vorgesehen ist, dessen spannungiempfindlicher Bereich im wesentlichen in zwei Abschnitte (Gl, G2) durch Anbringung von Leitungeanschlüssen (a,b,c),die jeweils über die volle Schichtbreite reichen, an den Enden und in einem mittleren Bereich, des in Längsrichtung seinen größten Empfindlichkeit aufweisenden Halbleiters unterteilt ist, und daß der Halbleiter in radialer Richtung auf der Membran so angeordnet ist, daß seine beiden Bereiche jeweils in eine positive Spannungsaktivierungszone und eine negative Spannungsaktivierungszone reichen, wobei der Mittlere Leitungsanschluß (a) etwa mit einer Übergangszone (X) zwischen den beiden Aktivierungszonen zusammenfällt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -zeichne t , daß die Membran an eitlen Ende eines zylindrischen holten Gehäuse· fest angebracht ist.

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3. Einrichtung neeh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement auf der Memijraninnenseite angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der mittlere Leitungsansehluß (a) bei einem über die Mitte äer Membran hinausreichenden Haibleiterstreifens zur Mitte üer Membran hin breiter gehalten ist.

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