CS245367B1

CS245367B1 - A method of simultaneously adjusting the exact values of the electrical resistance and its temperature coefficient for a measuring resistance element

Info

Publication number: CS245367B1
Application number: CS569983A
Authority: CS
Inventors: Ladislav Hrubant
Original assignee: Ladislav Hrubant
Priority date: 1983-08-01
Filing date: 1983-08-01
Publication date: 1986-09-18

Abstract

Způsob se týká současného nastaveni přesných hodnot elektrického odporu a jeho teplotního součinitele u měřicího odporového prvku. Podstata řešení spočívá v tom, že měřící odporový prvek se doplní sériově nebo· paralelně připojeným kompenzačním prvkem, přičemž alespoň na jeden z nich se působí chemickým leptáním po nezbytnou dobu. Leptací lázní může procházet stejnosměrný elektrický proud, přičemž prvek, na který se chemickým leptáním působí, je připojen ke kladnému pólu zdroje proudu. Na prvek, na který se leptáním působí, se může přiložit maska z chemicky odolné fólie, na stykové ploše opatřené vrstvou chemicky odolného adheziva, přičemž leptaná oblast se vymezí otvorem v masce. Způsob lze využít zejména při kompenzaci systematických teplotních chyb u snímačů mechanických veličin s polovodičovými tenzometry.The method relates to the simultaneous setting of the precise values of the electrical resistance and its temperature coefficient in a measuring resistance element. The essence of the solution lies in the fact that the measuring resistance element is supplemented with a series or parallel connected compensation element, while at least one of them is subjected to chemical etching for the necessary time. A direct electric current can pass through the etching bath, while the element subjected to chemical etching is connected to the positive pole of the current source. A mask made of chemically resistant foil can be applied to the element subjected to etching, on the contact surface provided with a layer of chemically resistant adhesive, while the etched area is defined by an opening in the mask. The method can be used in particular for compensating for systematic temperature errors in mechanical quantity sensors with semiconductor strain gauges.

Description

Vynález se týká způsobu současného nastavení přesných hodnot elektrického odporu a jeho feéplotniho součinitele u měřicího odporového prvku.The present invention relates to a method for simultaneously adjusting the exact values of the electrical resistance and its pheotropic coefficient at a measuring resistive element.

Snímače mechanických veličin s polovodičovými odporovými tenzometry, stejně jako teploměry s teplotně závislými polovodičovými měřicími prvky mají výhodu vysoké účinnosti převodu měřené veličiny na elektrický signál. Tato jejich výhoda je však prozatím využívána hlavně ve snímačích středních tříd přesnosti. Pro přesná měření zatím téměř výhradně slouží snímače s obdobnými typy kovových odporových prvků. Pro přesná měření mechanických veličin tedy snímače s foliovými či drátkovými tenzometry, pro přesná měření teplot hlavně .platinové odporové teploměry.Sensors of mechanical quantities with semiconductor resistance strain gauges, as well as thermometers with temperature-dependent semiconductor measuring elements, have the advantage of high efficiency of converting the measured quantity to electrical signal. However, this advantage is currently used mainly in mid-range sensors. So far, sensors with similar types of metal resistive elements are almost exclusively used for accurate measurements. For accurate measurements of mechanical quantities, ie sensors with foil or wire strain gauges, for accurate temperature measurements mainly platinum resistance thermometers.

Přitom polovodičové odporové tenzometry i některé typy polovodičových odporových teploměrů mají natolik vysokou dlouhodobou stabilitu charakteristik, že snímače s nimi se mohou přesností rovnat snímačům s obdobnými prvky kovovými. Hlavní příčina, proč polovodičové odporové měřicí prvky zatím nenašly odpovídající uplatnění i ve snímačích pro přesná měření, spočívá v tom, že u těchto snímačů doposud nejsou technicky zvládnuty způsoby současného nastavení přesných hodnot elektrického odporu a jeho teplotního součinitele tak, aby byly ekonomicky přijatelné. Pro snímače s kovovými měřícími odporovými prvky takové účinné způsoby nastavení jejich základních charakteristik již vypracovány jsou.At the same time, semiconductor resistance strain gauges and some types of semiconductor resistance thermometers have such high long-term stability characteristics that sensors with them can equal accuracy with sensors with similar metallic elements. The main reason why semiconductor resistance measuring elements have not yet found their application in precision sensors is that these sensors have not yet been technically mastered at the same time to set the exact values of the electrical resistance and its temperature coefficient to be economically acceptable. For sensors with metal measuring resistive elements, such effective ways of adjusting their basic characteristics have already been developed.

Například pro snímače s kovovými odporovými tenzometry jsou vyráběny kovové kompenzační odpory o rozměrech srovnatelných s tenzometry, ze slitin s přesně odstupňovanými hodnotami teplotního součinitele elektrického odporu, u nichž se přesná požadovaná hodnota elektrického odporu nastaví po zapojení do obvodu snímače. Technologie jejioh výroby i výchozí polotovary jsou stejné jako u fóliových tenzometrů. Tyto kompenzační odpory jsou nejčastěji uspořádány ve formě žebříčku, přilepeného na laminátové podložce. Ten se do obvodu zapojí prostřednictvím dvou delších'stran. Přesný součinitel elektrického odporu se volí a přesná hodnota elektrického odporu se nastaví postupným přerušováním příček, případně zmenšením průřezu poslední příčky seškrábnutím části materiálu. Ve snímačích s polovodičovými tenzometry se využívají jen typy s minimálním teplotním součinitelem odporu, sloužící jako teplotně nazávislé odpory. Výroba popsaných kovových kompenzačních odporů vyžaduje nákladné výrobní zařízení. Neméně náročná je i výroba fólií ze slitin s přesnými hodnotami teplotních součinitelů odporu. Výroba těchto prvků je rentabilní jen ve velkých sériích a doposud ji zvládlo jen několik špičkových výrobců v zahraničí. U nás lze popsané prvky získat jen dovozem z kapitalistických zemí a tato situace ještě několik let potrvá.For example, for metal resistive strain gauge sensors, metal compensating resistors of dimensions comparable to strain gauges are made of alloys with precisely graded temperature resistance coefficients, in which the exact electrical resistance setpoint is set when connected to the sensor circuit. Its production technology and the semi-finished products are the same as for foil strain gauges. These compensating resistors are most often arranged in the form of a ladder adhered to a laminate backing. It is connected to the circuit via two longer sides. The exact coefficient of electrical resistance is selected and the exact value of the electrical resistance is set by sequentially breaking the rungs or reducing the cross-section of the last rungs by scraping off a part of the material. Sensors with semiconductor strain gauges use only types with a minimum temperature coefficient of resistance, serving as temperature-dependent resistors. The production of the described metal compensating resistors requires expensive manufacturing equipment. No less demanding is the production of foils from alloys with exact values of temperature coefficients of resistance. The production of these elements is profitable only in large series and so far it has been managed by only a few top manufacturers abroad. In the Czech Republic, the described elements can only be obtained by importing from capitalist countries and this situation will persist for several years.

Realizace principiálně shodných kompenzačních prvků z polovodičových materiálů popsaným způsobem není možná z materiálových a technologických důvodů, z nichž nejzávažnějším je křehkost polovodičů.The implementation of principally equal compensating elements made of semiconductor materials in the described way is not possible for material and technological reasons, the most serious of which is the fragility of semiconductors.

U snímačů s měřicími polovodičovými prvky se problematika nastavení potřebných hodnot obvykle řeší doplněním obvodu snímače odporovými prvky dostupnými na trhu. Například teplotní posun nulové hodnoty snímačů se čtyřmi polovodičovými tenzometry zapojenými v celém můstku, se kompenzuje' serioparalelním připojením dvou teplotně nezávislých odporů, ke každému ze dvou sousedních tenzometrů, zapojených mezi oběma body napájecí diagonály můstku. Tím se současně docílí i vyvážení můstku. Nevýhody tohoto způsobu spočívají zejména ve značném rozdílu hmotností kompenzačních odporových prvků a měřících polovodičových odporových prvků, který nepříznivě ovlivňuje teplotně dynamické vlastnosti snímače.In the case of sensors with semiconductor devices, the problem of setting the required values is usually solved by supplementing the sensor circuit with resistive elements available on the market. For example, a zero temperature shift of sensors with four semiconductor strain gauges connected across the bridge is compensated by seri-parallel connecting two temperature-independent resistors to each of the two adjacent strain gauges connected between the two points of the bridge diagonal. This also achieves a balance of the bridge. The disadvantages of this method are, in particular, the considerable difference in weight of the compensating resistive elements and the measuring semiconductor resistive elements, which adversely affects the temperature-dynamic properties of the sensor.

Technicky výhodnějším způsobem, který proti předchozímu může snížit počet kompenzačních odporů, je kompenzace pomocí polovodičového nebo kovového teplotně závislého odporového prvku, jehož pomocí se vyrovnají teplotní součinitelé odporů můstkově zapojených tenzometrů.A more technically advantageous method that can reduce the number of compensating resistors is to compensate by a semiconductor or metal temperature-dependent resistive element, which compensates for the temperature coefficients of the bridged strain gauges.

K vyvážení můstku na nulovou hodnotu se použije teplotně nezávislý kovový odpor. Výhodou zde jsou menší rozměry a hmotnost kompenzačních odporů, a tím i lepší teplotně dynamické vlastnosti snímače. Z nezbytnosti realizovat tyto kompenzační odpory s přesnými individuálními hodnotami zvlášt pro každý případ však vyplývají vyšší náklady. Ani při uvedeném způsobu kompenzace se však nedosáhne potřebných přesných hodnot, nebot spojení uvedených odporů s deformačním členem vrstvou lepidla poněkud změní odpor a jeho teplotní součinitel, zejména u teplotně závislého polovodičového prvku. Příčiny této změny spočívají v rozdílných teplotních roztažnostech materiálu deformačních členů a kompenzačních odporů, výrazně se uplatňuje vysoká deformační citlivost polovodičů a rozdíly v tlouštce lepidlových vrstev a jejich řádově nižší pružnosti proti kovům a polovodičům.A temperature-independent metal resistor is used to balance the bridge to zero. The advantage here is the smaller dimensions and weight of the compensating resistors and thus better temperature dynamic properties of the sensor. However, the need to realize these compensating resistors with precise individual values in each case results in higher costs. However, even in the said method of compensation, the required exact values are not achieved, since the connection of said resistors to the deformation member by the adhesive layer somewhat changes the resistance and its temperature coefficient, in particular for the temperature-dependent semiconductor element. The reasons for this change are the different thermal expansions of the material of the deforming members and the compensating resistances, the high deformation sensitivity of the semiconductors and the differences in the thickness of the adhesive layers and their lower elasticity compared to metals and semiconductors are significantly applied.

Obdobné problémy jsou i při realizaci snímačů s polovodičovými tenzometry vytvořenými difúzí dotujících prvků do vysokoodporového polovodiče s opačným typem vodivosti, než jaký působí difundujíci přísady. Tyto. polovodičové deformační členy se spojují s nosnými konstrukcemi kovovými i nekovovými bud lepením, nebo odpovídájícími fyzikálními metodami svařování, s kovovými nosnými konstrukcemi se spojují mikrolasmovým svařením nebo pomocí elektronového paprsku, s nekovovými konstrukcemi difuzním svařením. I u nich je nakonec třeba kompenzovat systematické teplotní chyby a vyvážit můstek na nulovou hodnotu.Similar problems are encountered in the realization of sensors with semiconductor strain gauges created by the diffusion of doping elements into a high resistance semiconductor with the opposite conductivity type to that of the diffusing additives. These. the semiconductor deformation members are connected to the supporting structures by metallic or non-metallic either by gluing or by corresponding physical welding methods, with the metallic supporting structures by micro-plasma welding or by electron beam, with non-metallic structures by diffusion welding. In the end, systematic temperature errors must also be compensated and the bridge must be balanced to zero.

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob současného nastavení přesných hodnot elektrického odporu a jeho teplotního součinitele u měřicího odporového prvku podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že měřící odporový prvek se doplní sériově nebo paralelně připojeným kompenzačním prvkem, přičemž alespoň na jeden z nich se působí chemickým leptáním po nezbytnou dobu. Leptací lázní může procházet stejnosměrný elektrický proud, přičemž prvek, na který se chemickým leptáním působí, je připojen ke kladnému pólu zdroje proudu.These disadvantages are eliminated by the method of simultaneously setting the exact values of the electrical resistance and its temperature coefficient for the measuring resistance element according to the invention, which consists in that the measuring resistance element is supplemented by a compensating element connected in series or parallel, at least one of which is subjected to chemical etching for the necessary time. A direct electrical current can be passed through the etching bath, the element being treated by the chemical etching being connected to the positive pole of the current source.

Na prvek, na který se leptáním působí, se může přiložit maska z chemicky odolné fólie, na stykové ploše opatřené vrstvou chemicky odolného adheziva, přičemž leptaná oblast se vymezí otvorem v masce.An element to be etched may be applied with a chemically resistant film mask on a contact surface provided with a layer of chemically resistant adhesive, the etched area being delimited by an opening in the mask.

Výhodou způsobu podle vynálezu je podstatné zrychlení kompenzace teplotních chyb snímačů mechanických veličin s polovodičovými tenzometry.An advantage of the method according to the invention is a substantial acceleration of the temperature error compensation of the sensors of mechanical quantities with semiconductor strain gauges.

Snímač síly řešený jako jednostranně vetknutý ohybový nosník je osazen čtyřmi křemíkovými odporovými tenzometry s hodnotami odporu před nalepením v mezích od 128,2 do 128,3 ohmu. Tenzometry jsou dále označeny až T₄· Po nalepení mají jednotlivé tenzometry následující hodnoty elektrického odporu a teplotního součinitele odporu: T^ - 119,8 ohmu a 0,208 %/°C, T₂ - 121,2 ohmu a 0,206 %/°C, T₃ - 120,8 ohmu a 0,209 %/°C, T₄ - 119,6 ohmu a 0,214 »/°C. U tenzometrů se požaduje dokompenzování a vyvážení můstku na nulovou hodnotu tak, aby teplotní posun nulové hodnoty snímače byl minimální.The force transducer designed as a one-sided bending beam is fitted with four silicon resistance strain gauges with resistance values before sticking in the range from 128.2 to 128.3 ohms. The strain gauges are further labeled up to T ₄ · After gluing, the individual strain gauges have the following values of electrical resistance and temperature coefficient of resistance: T ^ - 119.8 ohms and 0.208% / ° C, T ₂ - 121.2 ohms and 0.206% / ° C, T ₃ - 120.8 ohms and 0.209% / ° C, T ₄ - 119.6 ohms and 0.214 »/ ° C. The strain gauges are required to compensate and balance the bridge to zero so that the temperature shift of the sensor zero value is minimal.

K tenzometrům Τ_χ a T₃ se přilepí křemíkové kompenzační odpory, rozměrově i hmotnostně shodné s tenzometry o odporu 6 000 ohmů a k tenzometrů se přilepí odpor o hodnotě 4 000 ohmů. Tyto odpory jsou zhotoveny z křemíku o měrném odporu 1 ohm.cm a jejich teplotní součinitel odporu je 0,642 %/°C v rozmezí od 0 °C do 100 °C. Kompenzační prvky se zakryjí maskou z chemicky odolné fólie s otvorem v místě leptání. Na stykové ploše je maska opatřena vrstvou chemicky odolného adheziva. Potom se působí roztokem sestávajícím z 1 objemového dílu koncentrované kyseliny fluorovodíkové a 9 objemových dílů koncentrované kyseliny dusičné na kompenzační odpory po dobu, za kterou se změní hodnoty takto: Hodnota odporu příslušejícího k na 6 417 ohmu, hodnota odporu příslušejícího k Tj na 4 883 ohmu a hodnota odporu příslušejícího k T₃ na 7 673 ohmu. Všechny tři kompenzační odpory se potom paralelně připojí k uvedeným tenzometrům. Při nastavování odporů v počátečních fázích je výhodné zrychlit proces nastavování odporu průchodem stejnosměrného elektrického proudu leptací lázní, přičemž křemíkové kompenzační odpory jsou připojeny ke kladnému proudu stejnosměrného elektrického zdroje a proud do leptací lázně na povrchu křemíkové části se zavádí pomocí platinového drátku. Uvedeným způsobem získají tenzometry ve všech ramenech můstku hodnotu odporu 120 ohmů + 0,05 ohmu a teplotní součinitel odporu všech tenzometrů bude 0,214 %/°C + 0,000 8 %/°C. Kompenzace teplotního posunu nulové hodnoty bude lepší než 0,004 Í/°C.To the strain gauges rozměr _χ and T ₃ , silicon compensating resistors, identical in size and weight to the strain gauges with a resistance of 6,000 ohms, are adhered, and the strain gauges have a resistance of 4,000 ohms. These resistors are made of silicon with a resistivity of 1 ohm.cm and have a resistance coefficient of 0.642% / ° C ranging from 0 ° C to 100 ° C. The compensating elements are covered with a chemically resistant foil mask with an etching hole. The mask is provided with a layer of chemically resistant adhesive on the contact surface. Thereafter, a solution consisting of 1 part by volume concentrated hydrofluoric acid and 9 parts by volume concentrated nitric acid is applied to the compensating resistors for a period of time as follows: The value of resistance per k at 6,417 ohms, the value of resistance per k at 4,883 ohms and the resistance value pertaining to T ₃ at 7,673 ohms. All three compensating resistors are then connected in parallel to the strain gauges. When adjusting resistors in the initial phases, it is advantageous to accelerate the process of adjusting the resistance by passing the direct current through the etching bath, the silicon compensating resistors being connected to a positive direct current source and the current to the etching bath on the surface of the silicon portion being fed by platinum wire. In this way, strain gauges in all bridge arms will obtain a resistance value of 120 ohms + 0.05 ohm and the temperature coefficient of resistance of all strain gauges will be 0.214% / ° C + 0.000 8% / ° C. Zero temperature offset will be better than 0.004 ° C / ° C.

Způsob podle vynálezu lze využít zejména při kompenzaci systematických teplotních chyb u snímačů mechanických veličin s polovodičovými odporovými tenzometry.The method according to the invention can be used, in particular, to compensate for systematic temperature errors in mechanical quantity sensors with semiconductor resistance strain gauges.

Claims

Method for simultaneously setting the exact values of the electrical resistance and its temperature coefficient for a measuring resistive element, characterized in that at least one measuring resistive element is supplemented by a series or parallel connected compensating resistive element, at least one of which is subjected to chemical etching for the necessary time .

Method according to claim 1, characterized in that a direct electric current is passed through the etching bath, the element being subjected to the chemical etching being connected to the positive pole of the current source.

3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the element to be etched is applied with a mask of chemically resistant foil on a contact surface provided with a layer of chemically resistant adhesive, the etched area being delimited by an opening in the mask.