DE1648461A1 - Wandler - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DR. ING. KARL BOEHMERT · DIPL-ING. ALBERT BOEHMERT 28 BREMEN · FELDSTRASSE 24 · TEL. (0421) 491760, 442551

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EHTEH EiIGIBEIiKIKG LILITED

475 28 Bremen, den £3, OKt. 1967

ETHER EKGIKEERIKG LIMITED, BUSHEY, Hertfordshire (England)

Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler bzw» Meßumformer mit einem in einem Halbleiterkörper angeordneten, räumlich begrenzten Bereich als aktives Wandlerelement.

Bekannt ist ein Wandler, dessen aktives Element aus eineii. Streifen oder Schnitzel aus Halbleitermaterial mit einer einzigen, räumlich begrenzten p-n Übergangszone bzw. Trennschicht besteht«, Eine Vielzahl dieser Streifen bzw· Schnitzel wird an ein sich unter Belastung durchbiegendes Organ, beispielsweise eine ketallmembran, angeklebt. J)Ie Herstellung eines derartigen Wandlers zieht einige Probleme nach sich. Beispielsweise ich es schwierig, die

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einzelnen Streifen oder Schnitzel in einer genauen gegenseitigen Relativlage auf der Membran anzubringen, und die Gestalt der einzelnen Schnitzel steht einer gedrängten Anordnung und Bauweise entgegen. Es ist außerdem schwer» die elektrischen Eigenschaften der einzelnen aktiven Elemente aufeinander abzustimmen· Die Verwendung von Klebemitteln führt zu einer unerwünschten Hysterese bei der Messung.

Die Anmelderin hat bereits einen Wandler vorgeschlagen (vergle britische Patentanmeldung 13 333/64), bei dem eine Vielzahl von aktiven Elementen durch Örtlich getrennte Bereiche eines einzigen membranförmigen Organs aus Halbleitermaterial gebildet sind* Dabei bildet die Halbleitermembran selbst das Kraft- bzwe Belastungsmeßglied ο Ein solcher Wandler besitzt bereite Vorteile gegenüber bisher bekannten Wandlern« So sind ζ«Β«, die einzelnen aktiven Elemente in einer genauen Relativlage zueinander angeordnet und können eng beieinander liegen. '»Venn die aktiven Elemente beispielsweise durch eine Diffusionstechnik gemäß früherem Vorschlag der Anmelderin gebildet werden, können die elektrischen Eigenschaften der einzelnen aktiven Elemente genau aufeinander abgestimmt werden.

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Es let ferner kein Klebemittel erforderlich, um die aktiven Elemente an der Membran zu befestigen· Dennoch treten unter gewissen Umständen auch bei diesem neueren Gerät gewisse Nachteile auf, die erst durch die vorliegende Erfindung vollständig beseitigt werden« So muß die Halbleitermembran genügend dick sein, um die bei Betrieb auf sie einwirkenden Kräfte aushalten zu können} je dicker aber die Membran ist, umso geringer ist die Biegebeanspruchung, der die Membran ohne die Gefahr eines Bruchs oder einer anderweitigen Beschädigung unterworfen werden kann. Da die üblichen Halbleitermaterialien ohne Ausnahme spröde sind, ist es sehr schwer, einen Kompromiß zwischen diesen gegensätzlichen Erfordernissen zu finden, bei denen eine zufriedenstellende Verwendung der andererseits hervorstechenden Eigenschaften dieses Geräts möglich istο Es ist ferner schwierig, der Membran eine von den einfachen und üblichen Formen abweichende Form zu geben, so daß häufig Schwierigkeiten und Probleme beim Einbau der kembran erwachsen. Ferner ist das Halbleitermaterial nicht chemisch indifferent gegenüber allen Substanzen, die bei Betrieb als Steuermedium auf die Membran einwirken«

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, erstmals die Schwierigkeiten und Probleme bei der Herstellung und bei Betrieb eines Wandlere biw· Meßumformers zu überwinden· Ausgehend von einen Wandler alt einer sich in Abhängigkeit von einer angelegten Kraft bzw. Belastung durchbiegender bzw« auewölbender Membran schlägt die Erfindung zur Lösung der oben genannten Aufgabe vor, daß ein Streifen aus Halbleitermaterial mit in gegenseitigen Abstand stehenden, die aktiven Wandlereleaente bildenden Bereichen, die aus Halbleiter-Obergan^ssonen bzw. -Trennschichten bestehen, sehnenartig auf der Membran angeordnet ist«

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines druck- oder belastungegesteuerten Wandlers, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Streifen aus Halbleitermaterial sehnenförmig auf einer Hauptfläche einer Membran angeordnet wird, wobei die Membran sich in Abhängigkeit von der auf sie einwirkenden Kraft (Druck) durchwölbt, und daß eine Vielzahl von aktiven fandlere lementen, die auf die Beanspruchung des Streifens bei Durchbiegen der Membran ansprechen, durch Bildung einer Vielzahl von in gegenseitigem Abstand voneinander angeordneten Be-

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reichen aus Halbleiter-Grenzflächen-Elementen in diesem Streifen gebildet werden«

Zum besseren Verständnis soll im folgenden die Erfindung kurz zusammengefaßt werden: Der neue Wandler weist eine betallmembran auf, an der ein Halbleiterstreifen diametral angeordnet ist. Die aktiven Wandlerelemente, die auf eine Belastung der kembran ansprechen, weisen in gegenseitigen Abstand angeordnete Bereiche in dem Streifen auf, die durch eindiffundierte p~n Übergangs zonen* bzw· Grenzschichten gebildet sind« Einige aktive Elemente sind etwa in der Kitte der Membran angeordnet und sprechen gegensinnig zu anderen Bereichen des Streifens an, die an den Bändern der Membran angeordnet sind« Der Membranrand ist mit einem starren bontagering einteilig ausgeführt und über diesen festgelegt. Elektrische Anschlüsse sind nur an einigen der aktiven Elenente vorgesehen·

nähere Einzelheiten ergeben sich aus der nun folgenden FigurenbeSchreibung· Es zeigen:

1 ein· Draufsicht auf eine nach der Lehro der Erfindung ausgebildete Einheit}

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Fig. 2 eine Axialschnittaneicbt auf einen Druckwandler;

Fig* 3 einen Axialschnitt dUcbeinen Beschleunigungsmesser; und \

Figo 4 einen Axial schnitt dach eine Druckaefid oee.

Jeder der in den Fig· 2 bis 4 der Zeichnung gezeigten Wandler weist eine deformationsabhängig· Einheit mit einer Vielzahl Örtlich voneinander getrennter Bereiche eine8 streifenförmigen Organe aus HaTbleitematerial auf, das diametral auf einer etwa ebenen Oberfläche einer kreisförmigen Membran angeordnet ist, auf die die den Wandler steuernde Kraft einwirkt, wobei die Widerstände der aktiven Elenente funktional von der sich in dem streifeniöraigen Organ ergebenden Beanspruchung abhängig sind. Einige der aktiven Elemente sind in einem mittleren Bereich des Streifens nabe dem fcembransentrum angeordnet und sprechen auf ein· angelegte Belastung gegensinnig zu anderen aktiven Elementen an, die in den Endbereichen des »treifenförmigen Organe, also in der Näh« der Peripherie der Blende angeordnet sind.

Jeder der in den Mg· 2 bis 4 geseilten Wandler^·*.

keßumformtr weist eint Einheit auf, die ähnlich der in der 71g. 1 geselgten ausgebildet 1st. Si··· Einheit '

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weist eine aus einem Metallblock hergestellte kreisförmige fcabran 10 auf, an deren Umfang eine mit der Membran einteilig ausgeführte Wand 12 vorgesehen ist, die zum Befestigen der Membran in der Gesamteinheit dient. Ein Streifen 14- aus Halbleitermaterial 1st auf einer im wesentlichen ebenen Oberfläche der Membran 10 angeordnet und an der Membran mit einem Klebemittel, beispielsweise einen. Epoxydharz, befestigt. Der Streifen 14 erstreckt sich beinahe bis zu den einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen der Membran· Begrenzte längliche Bereiche des Streifens 14-, die ciit den Bezugs zeichen 16 und 18 bezeichnet sind, werden durch entsprechende p-n Übergangszonen bzw· Grenzschichten gebildet und sind die aktiven Wandlerelemente· Die Bereiche 16 sind in der Sähe der kitte des Streifens angeordnet, während die Bereiche 18 an den einander gegenüberliegenden Endes des Streifens vorgesehen sind. Die Bereiche 16 und sind mit ibren Läng.sabmessungen parallel zur Längs-» erstreokung des Streifens angeordnet, und die Widerstände der Bereiche 16 ändern sich gegenslnnig zu den &iderständen der Bereiche 18, wenn eine lokale oder verteilte Kraft an die dem Streifen 14- gegenüberliegende fiauptf lache der kenbran 10 angreifte

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Der Streifen 14 besteht aus einem Siliciumkörper, in dem p~n Übergangszonen bzw. Grenzschichten in bekannter Weise dadurch gebildet sind, daß Störstellen durch fotolithographisch, gebildete fenster in einer Oxydschicht auf der Oberfläche des Streifens eindiffundiert werden. Für die Bereiche 16 und 18 sind Anschlüsse 20 an von den Bereichen etwas entfernten Stellen vorgesehen, die mit den unden der Bereiche 16 und 18 durch auf der Oberfläche der Oxydschicht angeordnete metallische Schichten verbunden sind. Mit den Anschlüssen 20 sind dünne Drähte, die in Fi&. 1 nicht gezeigt sind, beispielsweise durch Druckschweißung verbunden. Zweckmäßigerweise sind die Leitungsdrähte mit hier ebenfalle nicht gezeigten kräftigeren Leitungen an einem Isolierring 22 verlötet, der auf dem vorstehenden Hand an der Innenseite der Wand 12 sitzt· Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel ist die Länge des Streifens 10 12 mm, seine Breite 2mm und seine Dicke 0,05 mm· Die Bereiche 16 und 18 sind 0,05 nm breit und 1 mm lang. Das Material des Streifens ist η-Typ Silicium, während die Bereiche 16 und vom p-Typ sind. Die Länge des Streifens ist mit der 111 Kristall-Achse ausgerichtet. Das Material der

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Blende 10 und der Wand 12 ist vorgehärteter rostfreier Stahl.

Bei Betrieb sind zwei der Elemente 16 und zwei der Elemente 18 jeweils in einander gegenüberliegende Brückenarme geschaltet oder in einem Doppel-Potentiometerschaltkreis ο Jeweils vier der Elemente 16 und 18 sind vorgesehen, wobei die verwendeten Elemente für eine maximale Anpassung der elektrischen Eigenschaften ausgewählt werden können. Außerdem wird die Ausschußrate bei der Herstellung der Einheiten verringert, da ein oder zwei der Elemente 16 oder 18 bei Beschädigung nicht verwendet zu werden brauchen.

Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen: Der hier gezeigte Druckwandler weist eine Einheit ähnlich der in Fig. 1 gezeigten Einheit auf, mit einem Bauteil 24, das mit einer Stirnseite der Wand dicht verbunden ist und einen Hohlraum 26 as der Hauptfläche der üembran 10 gegenüber dem Streifen bildet. Im Bauteil 24 ist ein Einlaß 28 für das Druckmedium vorgesehen. Eine Anordnung von Anschlüssen ist im anderen Endbereich der Wand 12 eingeschmolzen? und sie weist Anschlußbolzen 32 auf, die durch Glas-

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Metall-Dichtungen durchgeführt sind.

Bei dem Beschleunigungsmesser gercäß Fig· 3 befindet sich eine Inertialmasse 34 in einen zwischen zwei Membranen gebildeten Hohlraum 36· Die eine Membran entspricht der in Fig. 1 gezeigten Membran, und die andere kembran ist eine ähnliche kembran 38, an der jedoch keine «Sandlerelemente vorgesehen zu werden brauchen. Oer Streifen 14 ist außerhalb des Hohlraums 36 angeordnet· Stifte 40 und 42 sind einteilig mit den »embranen 10 und 38 an deren kittelbereichen angeordnet und an einander gegenüberliegenden Enden der kasse 34 befestigte 0er Hohlraum 36 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die die Schwingbewegung der Inertialmasse dämpfte Der Hohlraum 36 steht mit einem Nebenraum 44 in Verbindung, der durch eine relativ schwache Membran 46 geteilt ist. Die fcembran 46 dient der Anpassung der Druckänderungen der Dämpfungsflüssigkeit an die OPeiaperaturänderungen. Die la Fig· gezeigte Vorrichtung spricht anf Beschleunigungen in der durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung an und ist relativ unempfindlich gegen Beschleunigungen in einer Querrichtung.

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Die in Fig. 4 gezeigte Druckmeßdose weist ebenfalls eine der in Fig. 1 gezeigten Einheit ähnliche Einheit auf. Die Druckmeßdose ist mit einem zapfenförmigen Vorsprung 48 versehen« der mit der Membran IO einteilig ausgeführt, in der Litte der dem Streifen 14 gegenüberliegenden Seite der kembran angesetzt ist«, Der Vorsprung 46 ist durch einen Knopf 50 überkapptο Die zu messende Kraft kann zwischen dem Knopf 50 und dem diesem gegenüberliegenden Ende der «and 12 angreifen.

Es ist zu ersehen, daß iait den vorstehend beschriebenen fandlern ein weiter Bereich von angreifenden Kräften gemessen werden kann, ohne die Empfindlichkeit der Geräte ungebührlich zu verschlechtern. Die Geräte können ohne weiteres sehr raumsparend, einfach und darüber hinaus sehr genau hergestellt werden, und zwar bei sehr geringer Ausschußrate defekter oder unbrauchbarer Geräte. Obwohl eine gewisse Hysterese auch bei den vorliegenden Geräten infolge der Verwendung von Klebemitteln unvermeidlich ist, 1st sie doch relativ gering im Vergleich zu den bisher vorgeschlagenen Geräten· Der Widerstand des MeßelementB und die Empfindlichkeit können für besondere Erfordernisse beliebig gewählt werden.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   Io Wandler, der auf an einer Membran angreifende Kräfte oder Belastungen anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifen (14) aus Halbleitermaterial mit in gegenseitigem Abstand stehenden, die aktiven Wandlerelemente bildenden Bereichen (16» 18)» die aus Halbleiter-Übergangszonen bzw; -Trennschiebten bestehen, sehnenartig auf der Membran (10) angeordnet ist ο

   2ο Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein erster Bereich (16) nahe
   der feembranmitte und wenigstens ein zweiter Bereich (18) nahe des Kembranrandes angeordnet sind; und
   daß der Membranrand festgelegt ist, so daß die ersten und zweiten Bereiche gegensinnig auf eine
   Streifenbiegung bzw. -beanspruchunglaneprechen.

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   2ο Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) mit einem an ihrem äußeren Hand angeordneten, starren Eontagering (12) einteilig ausgeführt ist«

   4o Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10)»wischen dem Streifen (14) und dem Arbeitsmedium angeordnet ist,

   5» Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur an bestimmten aktiven Elementen (16, 18) elektrische Anschlüsse vorgesehen sind ο

   6o Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-ÜbergangsZonen bzwο Xrennschichten auf fotolithographischem Wege hergestellt werden·

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