DE1214435B

DE1214435B - Device for measuring pressure with a semiconductor element acted upon by the force to be measured

Info

Publication number: DE1214435B
Application number: DES89336A
Authority: DE
Inventors: Dr Friedemann Hock
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-02-03
Filing date: 1964-02-03
Publication date: 1966-04-14

Description

Vorrichtung zur Druckmessung mit einem von der zu messenden Kraft beaufschlagten Halbleiterelement Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckmessung, bei der ein von der zu messenden Kraft beaufschlagtes einstückiges Halbleiterelement die aktiven Zweige einer elektrischen Brückenschaltung bildet.Device for measuring pressure with one of the force to be measured acted upon semiconductor element The invention relates to a device for pressure measurement, in which a one-piece semiconductor element acted upon by the force to be measured forms the active branches of an electrical bridge circuit.

Üblicherweise werden Druckmeßmembranen mit einem mechanischen Übertragungsglied versehen, welches auf eine Anzeigeeinrichtung oder im Fall der elektrischen Fernmessung auf ein Gebergerät, z. B. Widerstandsferngeber od. dgl., wirkt. Pressure measuring diaphragms with a mechanical transmission element are usually used provided, which on a display device or in the case of electrical telemetry to an encoder device, e.g. B. Resistance transmitter od. Like. Acts.

Ferner ist bekannt, zum Messen mechanischer Größen, wie Materialspannung, Druck usw., auf dem Piezowiderstandseffekt beruhende Elemente, sogenannte Dehnungsmeßstreifen, zu benutzen, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, deren Gleichgewicht entsprechend der mechanischen Beanspruchung dieser Dehnungsmeßstreifen sich ändert. Diese können auch z. B. in Form einer sogenannten Kraftmeßdose zu einer Einheit verbunden sein. It is also known to measure mechanical quantities such as material tension, Pressure, etc., elements based on the piezoresistance effect, so-called strain gauges, to use, which are arranged in a bridge circuit, their equilibrium This strain gauge changes according to the mechanical stress. These can also z. B. in the form of a so-called load cell to a unit be connected.

Schließlich ist es bekannt, einstückige Halbleiterelemente, z. B. aus N-Silizium, die von der zu messenden Kraft beaufschlagt sind, mit entsprechenden Anschlüssen zu versehen, so daß sie die vier aktiven Widerstände einer Brückenschaltung bilden. Das Halbleiterelement kann dabei als Platte oder als in sich geschlossener ringförmiger Körper ausgebildet sein. Finally, it is known to use integral semiconductor elements, e.g. B. made of N-silicon, which are acted upon by the force to be measured, with corresponding Connections to be provided so that they are the four active resistors of a bridge circuit form. The semiconductor element can be a plate or a self-contained one be formed annular body.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die sich unter dem Einfluß eines einseitigen Druckes vollziehende Verformung einer kreisförmigen, am Rand eingespannten Membran zum Zweck der Druckmessung fernzuübertragen. Dabei treten zusätzlich verschiedene zu lösende Probleme auf. So ist es beispielsweise erwünscht, eine möglichst lineare Abhängigkeit der erhaltenen elektrischen Größe (Strom, Spannung) vom Druck zu erreichen. Ferner soll die Anordnung möglichst weitgehend temperaturunabhängig arbeiten. The invention is based on the object that is under the influence deformation of a circular one that is clamped at the edge of a one-sided pressure To transmit membrane remotely for the purpose of pressure measurement. There are also various problems to be solved. For example, it is desirable to use a Dependence of the obtained electrical quantity (current, voltage) on the pressure to be achieved. Furthermore, the arrangement should work as largely independent of temperature as possible.

Zur Lösung dieser Aufgaben wird gemäß der Erfindung eine ebene kreisförmige Membran aus n-leitendem Silizium mit dotierten, p-leitenden Zonen, die zwei Brückenzweige in radialer Richtung und zwei weitere Zweige in tangentialer Richtung bilden, vorgeschlagen. To achieve these objects, according to the invention, a planar circular Membrane made of n-conductive silicon with doped, p-conductive zones, the two bridge branches in the radial direction and two other branches in the tangential direction, proposed.

Bevorzugt ist die durch p-leitende Zonen gebildete Brücke nur auf einer Seite der Membran angeordnet. Preferably, the bridge formed by p-conductive zones is only on arranged on one side of the membrane.

Von Vorteil ist, wenn die in radialer Richtung verlaufenden dotierten Zonen im wesentlichen in der Randzone der Membran schleifenförmig angeordnet sind und die tangentialen Verbindungsleiter niederohmig ausgeführt sind. Zweckmäßig werden die tangential verlaufende Brückenzweige bildenden Zonen im Bereich des Vorzeichenwechsels der Radialspannung im Membranmaterial angeordnet. It is advantageous if the doped ones running in the radial direction Zones are arranged in loops essentially in the edge zone of the membrane and the tangential connecting conductors are designed with low resistance. Become useful the Tangentially running bridge branches forming zones in the area of the sign change the radial stress arranged in the membrane material.

Eine Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß leitende Verbindungszonen zwischen den radialen Brückenleitern auf dem Einspannrand der Membran angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Brücke aus einer eine in sich geschlossene Figur bildenden streifenförmigen Leitungszone, die aus zwei gegenüberliegenden bogenförmigen, in Kontaktflächen endenden Zonen bestehen, die durch jeweils im wesentlichen radial verlaufende schleifenförmige Leiterzonen verbunden sind.One embodiment of the invention is characterized in that conductive connection zones between the radial bridge conductors on the clamping edge the membrane are arranged. In a preferred embodiment of the invention the bridge consists of a strip-like shape that forms a self-contained figure Line zone, which consists of two opposite arc-shaped, ending in contact surfaces Zones exist, each of which is essentially radially extending loop-shaped Conductor zones are connected.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. An embodiment of the invention is shown below with reference to the Drawing explained.

Mit 1 ist eine kreisförmige Membran bezeichnet, die aus Silizium besteht. Die Membran 1 ist in ihrer Randzone 2 eingespannt. Auf der Oberfläche 3 ist durch entsprechende Dotierung, z. B. mit Bor, eine leitende Zone 4 vorgesehen. Die p-leitende Zone besitzt vier Kontaktstellen 5, 6, 7, 8, welche die Eckpunkte einer Meßbrücke bilden. Beispielsweise sind die Punkte 5 und 7 der Speisediagonale zugeordnet und mit einer Gleich- oder Wechselstromspeisequelle 25 verbunden, während die Punkte 6 und 8 der Anzeigediagonale zugeordnet sind und mit einem Differenzverstärker 26, der die Anzeigespannung verstärkt, verbunden sein können. Hierzu werden an den Punkten 5, 6, 7, 8 entsprechende Drähte angelötet oder angeschweißt. Die durch die p-leitende Zone 4 gebildete Meßbrücke besitzt zwei gegenüberliegende Brückenzweige, die aus bogenförmigen im Bereich der Vorzeichenumkehr der mechanischen Radialspannung bei Druckbeanspruchung auf der Membran 1 angeordneten Leiterstreifen 9 und 10 bestehen. Die Leiterabschnitte 9 und 10 werden somit im wesentlichen von der Tangentialspannung in der Membran 1 beansprucht. 1 with a circular membrane is referred to, which is made of silicon consists. The membrane 1 is clamped in its edge zone 2. On the surface 3 is by appropriate doping, z. B. with boron, a conductive zone 4 is provided. The p-conductive zone has four contact points 5, 6, 7, 8, which are the corner points form a measuring bridge. For example, points 5 and 7 are the dining diagonal assigned and connected to a DC or AC power source 25 while the points 6 and 8 of the display diagonal are assigned and with a differential amplifier 26, which amplifies the display voltage, can be connected. For this purpose, the Points 5, 6, 7, 8 corresponding wires soldered or welded on. The through the The measuring bridge formed in p-conductive zone 4 has two opposite bridge branches, the arc-shaped ones in the area of the sign reversal of the mechanical radial stress conductor strips 9 and 10 arranged on membrane 1 in the event of compressive stress exist. The conductor sections 9 and 10 are thus essentially affected by the tangential stress in the membrane 1 claimed.

Die von der mechanischen Radialspannung beeinflußten Leiterzonen bestehen aus radial verlaufenden p-leitenden Streifen 11, 12, 13, 14 einerseits und 15, 16, 17, 18 andererseits, die ebenfalls zwei einander gegenüberliegende Brückenzweige bilden. Diese sind jeweils zu einem mäanderförmig verlaufenden Leiter miteinander verbunden. Die der bindungsstücke 19, 20, 21, 22, die sich zwischen den radialen Leiterstreifen 11, 12, 13, 14 bzw. 15, 16, 17, 18 erstrecken, sind niederohmig ausgeführt und in der Zone des Einspannrandes 2 angeordnet, so daß diese nicht mehr von mechanischen Spannungen beeinfluß werden. Die Verbindungsstücke 23, 24 zwischen den Leiterstücken 12, 13 bzw. 16, 17 sind ebenfalls niederohmig ausgeführt und befinden sich bereits in einem Bereich, in dem die radiale Spannung ihr Vorzeichen wechselt, so daß ihr Einfluß gering ist. Die größte Empfindlichkeit der Brücke wird erreicht, wenn die Membran in einer [110]-Ebene liegt und die radialen Streifen in [11 i]-Richtung angeordnet sind. Leicht herzustellen ist eine Membran mit [111]-Orientierung. Die Empfindlichkeit ist dann etwa 25 0/o geringer, aber die Orientierung der Radialstreifen spielt keine Rolle. The conductor zones influenced by the mechanical radial tension consist of radially extending p-conductive strips 11, 12, 13, 14 on the one hand and 15, 16, 17, 18 on the other hand, which are also two opposite bridge branches form. These are each connected to a meandering conductor tied together. Those of the connecting pieces 19, 20, 21, 22, which are located between the radial Conductor strips 11, 12, 13, 14 or 15, 16, 17, 18 extend, are designed with low resistance and arranged in the zone of the clamping edge 2, so that this is no longer of mechanical Tensions are influenced. The connecting pieces 23, 24 between the ladder pieces 12, 13 and 16, 17 are also designed with low resistance and are already located in a range in which the radial tension changes its sign so that you Influence is small. The greatest sensitivity of the bridge is achieved when the The membrane lies in a [110] -plane and the radial stripes in the [11i] -direction are arranged. A membrane with a [111] orientation is easy to manufacture. the Sensitivity is then about 25% lower, but the orientation of the radial stripes is does not matter.

Die oben beschriebene Ausführungsform hat jedoch den Vorteil einer hohen Meßempfindlichkeit und geringen Temperaturabhängigkeit. Auch ist die Beziehung zwischen Druck und abgegebener elektrischer Ausgangsgröße weitgehend linear. Die Membran eignet sich daher zur Anwendung als Meßumformer für Druck-, Durchfluß- oder Höhenstandsmessung. However, the embodiment described above has the advantage of high measuring sensitivity and low temperature dependence. Also is the relationship largely linear between pressure and electrical output variable. the Diaphragm is therefore suitable for use as a transmitter for pressure, flow or Height measurement.

Claims

Claims: 1. Device for pressure measurement, in which one of the one-piece semiconductor element applied to the force to be measured, the active Branches of an electrical bridge circuit forms, marked by a flat circular membrane (1) made of n-conducting silicon with doped, p-conducting Zones (4), the two Bridge branches in the radial direction and two more branches in form tangential direction.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the bridge is arranged only on one side of the membrane (1).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that that the doped zone running in the radial direction is essentially in the edge zone the membrane is arranged in a loop and the tangential connecting conductor (19, 20, 21, 22, 23, 24) are designed with low resistance.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the tangential bridge branches forming conductive zones in the area of the change in sign of the radial stress.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that conductive connection zones between the radial bridge conductors (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) are arranged on the clamping edge (2) of the membrane (1).

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the bridge consists of a strip-like shape that forms a self-contained figure Line zone (4) consists of two opposing arcuate contact surfaces (5, 6,7, 8) ending zones (19), each of which is essentially radially running loop-shaped conductor zones (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) connected are.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the membrane (1) lies in a [110] plane and that the radial strips (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) are arranged in the [111] direction.

8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the membrane (1) has a [111] orientation.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1,132,368; French patent specification No. 1 320 446.