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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Solche
Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus
der Druckschrift
DE 600
28 678 T2 ein Drucksensor bekannt, wobei Dehnungsmessstreifen
einer Membran in einer Sternschaltung verschaltet und durch eine
Kalibrierungsschaltung abgeglichen werden. Die Kalibrierungsschaltung
weist eine vergleichsweise hohe Komplexität durch die Verwendung
einer Vielzahl von aktiven Bauelementen auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleich einer
Sensoranordnung und die erfindungsgemäße Sensoranordnung
gemäß den nebengeordneten Ansprüchen
haben den Vorteil, dass ein Abgleich der Sensoranordnung durch einen
Abgleich der Dehnungsmessstreifen selbst in einfacher Weise ermöglicht
wird, so dass keinerlei aufwändige Kalibration der Ausgangselektronik
der Sensoranordnung durchgeführt werden muss. Vielmehr
wird die Verwendung eines einfachen und kostengünstigen
Standardverstärkers mit einem festen Offset und einer festen
Verstärkung als Ausgangselektronik ermöglicht,
da kein einstellbarer bzw. programmierbarer Verstärker
zur Korrektur eines Ausgangsoffsets der Sensoranordnung benötigt
wird. Der Abgleich erfolgt durch ein geeignetes Einstellen des elektrischen
Widerstands des Dehnungsmessstreifens und/oder des Temperaturkoeffizienten
des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifen. Durch eine
Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes und
des Temperaturkoeffizienten wird eine Einstellung in einfacher Weise
durch eine geeignete Temperatureinstellung ermöglicht.
Der Dehnungsmessstreifen umfasst bevorzugt ein Halbleitermaterial,
besonders bevorzugt Silizium und ganz besonders bevorzugt Polysilizium.
Durch die Isolationsschicht zwischen dem Dehnungsmessstreifen und
der Membran ist der Dehnungsmessstreifen thermisch und elektrisch
von der Membran isoliert, so dass ein dritter Stromfluss durch den
Dehnungsmessstreifen nicht über die Membran kurzgeschlossen
wird und eine mechanische Druckbelastung der Membran zu einer Verformung
des Dehnungsmessstreifen und somit zu einer Änderung des
elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifen führt.
Dies führt zu einer Änderung des dritten Stromflusses,
welche proportional zur mechanischen Druckbelastung ist und somit
als Ausgangssignal gemessen wird. Insbesondere ist eine nachträgliche
Verstärkung des Ausgangssignals durch einen Standardverstärker
vorgesehen. Die thermische Isolation des Dehnungsmessstreifen ermöglicht
besonders vorteilhaft eine präzise Temperatureinstellung
des Dehnungsmessstreifens zum Abgleich des Ausgangsoffsets. Zusätzlich
ist durch eine geeignete Einstellung des Temperaturkoeffizienten eine
Kompensation von Temperaturkoeffizienten der Ausgangselektronik,
insbesondere des Verstärkers, möglich. Ein Dehnungsmessstreifen
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein elektrischer
Widerstand aus Polysilizium, welcher bevorzugt unmittelbar auf der
Membran angeordnet und/oder mit einem weiteren Dehnungsmessstreifen auf
der Membran elektrisch leitfähig verbunden ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung wird die Temperaturveränderung
durch einen ersten Stromfluss durch den Dehnungsmessstreifen erzeugt,
wobei bevorzugt die Stromstärke des ersten Stromflusses
einen periodischen zeitlichen Verlauf aufweist. Vorteilhaft wird
somit keinerlei zusätzliche Struktur zur Temperatureinstellung
bzw. zum Abgleich der Sensoranordnung benötigt, so dass
eine im Vergleich zum Stand der Technik erheblich kostengünstigere
Realisierung einer abgleichbaren Sensoranordnung ermöglicht
wird. Insbesondere ist in besonders vorteilhafter Weise zusätzlich
zum ersten Stromfluss der geeignete dritte Stromfluss zum Messen
der mechanischen Druckbelastung der Membran vorgesehen, wobei bevorzugt
kontinuierlich gemessen und geheizt, besonders bevorzugt kontinuierlich gemessen
und periodisch geheizt und ganz besonders bevorzugt abwechselnd
gemessen und geheizt wird. Eine Erwärmung des Dehnungsmessstreifens wird
durch joulsche Wärme im Dehnungsmessstreifen in Abhängigkeit
der Stromstärke des ersten Stromflusses erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Temperaturveränderung
durch einen zweiten Stromfluss durch ein Heizelement, bevorzugt eine
Heizspule und/oder wenigstens eine Leiterbahn, erzeugt, welches
besonders bevorzugt vom Dehnungsmessstreifen elektrisch isoliert
vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist somit eine einfache Temperatureinstellung
im Dehnungsmessstreifen durch joulsche Wärme in einer Heizspule
und/oder wenigstens einer Leiterbahn in Abhängigkeit der
Stromstärke des zweiten Stromflusses in einfacher Weise
möglich. Insbesondere wird das Heizelement durch einen konstanten
und/oder gepulsten zweiten Strom einer externen Stromquelle versorgt,
so dass in einer besonders kostengünstigen Weise ein Abgleich
der Sensoranordnung realisiert wird.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Sensoranordnung,
wobei der Dehnungsmessstreifen sowohl thermisch, als auch elektrisch
durch eine Isolationsschicht von der Membran isoliert vorgesehen
ist und wobei die Isolationsschicht zwischen dem Dehnungsmessstreifen
und der Membran angeordnet ist. Vorteilhaft wird somit in besonders
einfacher Weise ein präzise Temperatureinstellung des Dehnungsmessstreifens
und daher ein genaues Abgleichen der Sensoranordnung ermöglicht.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung weist die Sensoranordnung ein Heizelement
auf, wobei durch das Heizelement im Vergleich zum Stand der Technik
eine erheblich kostengünstigere abgleichbare Sensoranordnung
realisiert wird, da das Heizelement in einfacher Weise einen Abgleich
der Sensoranordnung durch die Temperaturvariation ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Heizelement zwischen
dem Dehnungsmessstreifen und der Membran und/oder im Wesentlichen
in einer Ebene mit dem Dehnungsmessstreifen parallel zur Membran
angeordnet ist. Vorteilhaft wird eine Realisation eines Heizelements in
unmittelbarer Nähe des Dehnungsmessstreifens realisiert,
so dass eine präzise, konstante und unmittelbare Temperatureinstellung
des Dehnungsmessstreifens ermöglicht wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das Heizelement eine
Heizspule und/oder wenigstens eine Leiterbahn. Vorteilhaft wird somit
eine Temperatureinstellung durch joulsche Wärme realisiert,
wobei die Herstellung der Heizspule und/oder der wenigstens einen
Leiterbahn besonders kostengünstig in den Herstellungsprozess
der Sensoranordnung integrierbar sind.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind eine Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen
parallel, seriell und/oder in einer Sternschaltung miteinander verschaltet.
Somit wird in besonders vorteilhafter Weise eine präzise
Widerstandsmessung und somit eine präzise Druckmessung
ermöglicht, wobei insbesondere eine Akkumulation der verformungsbedingten
Widerstandsänderungen einer Mehrzahl von Dehnungsmessstreifen
erzielt wird.
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Ein
weiterer Gegenstand ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung als Drucksensor.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung
gemäß einer ersten Ausführungsform und
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2 ein
schematisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist
eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 gemäß einer ersten
Ausführungsform dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 eine
Membran 2 und wenigstens einen auf der Membran 2 angeordneten
Dehnungsmessstreifen 3 aufweist und wobei der wenigstens eine
Dehnungsmessstreifen 3 sowohl thermisch, als auch elektrisch
durch eine Isolationsschicht 7 von der Membran 2 isoliert
vorgesehen ist, wobei die Isolationsschicht 7 zwischen
dem Dehnungsmessstreifen 3 und der Membran 2 angeordnet
ist. Ferner ist zwischen einem der Dehnungsmessstreifen 3 und
der Isolationsschicht 7 ein Heizelement 5, insbesondere in
Form einer Leiterbahn, angeordnet, so dass die Temperatur des Dehnungsmessstreifen 3 durch
einen zweiten Stromfluss durch das Heizelement 5 einstellbar
ist. Ein elektrischer Widerstand des Dehnungsmessstreifens 3 und
ein Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens 3 sind
durch die Temperaturvariation in Abhängigkeit der Stromstärke
des zweiten Stromflusses einstellbar. Eine Druckbelastung 6 auf
die Membran 2 erwirkt eine Verformung des Dehnungsmessstreifens 3 und
somit eine Änderung des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens 3,
welche sowohl von der Verformung, als auch von der Temperatur des
Dehnungsmessstreifens 3 abhängt. Der Dehnungsmessstreifen 3 umfasst
insbesondere ein Polysilizium und die Membran 2 eine Stahlmembran.
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In 2 ist
ein schematisches Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform
dargestellt, wobei zwei Knotenpunkte 10, 11 über
zwei parallele Stromzweige miteinander verbunden sind, welche jeweils
zwei serielle Brückenwiderstände 3, welche
jeweils Dehnungsmessstreifen 3 auf einer gemeinsamen Membran 2 darstellen,
aufweisen. Zwischen den zwei Brückenwiderständen 3 jeweils
eines Stromzweiges liegen Knotenpunkte 20, 21,
zwischen denen eine Ausgangsspannung anliegt, welche abhängig
von den elektrischen Widerständen der Brückenwiderstände 3 und
somit auch abhängig von der Verformung derselben durch
die mechanische Druckbelastung 6 der Membran 2 ist.
Um eine Abgleichbarkeit dieser Anordnung zu realisieren, sind zwei
serielle Brückenwiderstände 3 eines einzigen Astes
jeweils mit einem weiteren Zwei parallel geschaltet, welcher jeweils
einen Abgleichwiderstand 3' und einen Serienwiderstand
aufweist. Die Abgleichwiderstände 3' umfassen
vorzugsweise Polysilizium und werden jeweils durch ein benachbartes
Heizelement 5 auf eine bestimmte Temperatur eingestellt. Die
Heizelemente 5 werden durch einen eigenen zweiten Strom
zwischen Knoten 30, 31 stromdurchsetzt. Durch
eine Variation der elektrischen Widerstände der Abgleichwiderstände 3' werden
ein geeigneter Offset der Ausgangsspannung zwischen den Knoten 20, 21 und/oder
ein geeigneter Temperaturkoeffizient des Offsets zum Abgleichen
der Sensoranordnung 1 eingestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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