DE1648745B2 - Auf Druck ansprechende Einrichtung mit einem Gehäuse und einer flexiblen Kreisscheibe, auf der in eine Brückenschaltung eingeschaltete Dehnungsmeßstreifen befestigt sind - Google Patents

Description

——— Spannung auszunutzen, die den Scher- oder Schub-

35 beanspruchungen proportional ist. Hierbei ist eine Kompensation für Änderungen der Umgebungstem-

Die Erfindung betrifft eine auf Druck ansprechende peratur nicht notwendig (vgl. US-PS 32 13 681). Bei Einrichtung mit einem Gehäuse und einer das Ge- dieser bekannten Einrichtung ist das verwendete häuse an einem Ende abschließenden membranarti- Halbleiterelement in Draufsicht von etwa kreuzförmigen, flexiblen Kreisscheibe, die mit Ihrem Rand am 40 ger Umrißgestalt. An den vier Enden sind Elektroden Gehäuse derart festgelegt ist, daß sie bei Ausbiegung angebracht, wobei sich zwei gegenüberliegende Elekunter Druck eine zentrale Dehnungs- und eine dazu troden zum Anschluß an eine Stromquelle dienen, konzentrische Kompressionszone aufweist, deren während die anderen sich gegenüberliegenden Elek-Dehnungs- bzw. Kompressionsspannungen mittels auf troden zum Anschluß einer Spannungsmeßeinrichtung der Scheibe befestigten und in eine Brückenschaltung 45 dienen. Dieses Halbleiterelement ist dabei nahe dem eingeschalteten Dehnungsmeßstreifen meßbar sind. fest eingespannten Rand einer membranförmigen Auf Druck ansprechende Einrichtungen dieser Art Kreisscheibe 'angeordnet, wobei die llauptrichtung sind bekannt. Bei einer bekannten Einrichtung sind des einzigen Halbleiterelementes unter einem Winkel auf der flexiblen Kreisscheibe mehrere streifenför- von 45° gegenüber einem Radius der Kreisscheibe mige Halbleiterelemente auf den Umrißlinien eines 5° orientiert ist.

langgestreckten Rechteckes in gegenseitigen Abstän- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine auf den angeordnet, wobei sie zwei Reihen bilden, die Druck ansprechende Einrichtung der eingangs näher parallel und in gleichen Abständen beiderseits eines bezeichneten Art so weiterzubilden, daß diese bei beDurchmessers der Kreisscheibe verlaufen. Diese als sonders einfachem Aufbau und bei Gewährleistung Dehnungsmeßstreifen dienenden Halbleiterelemente 55 sehr kleiner Abmessungen eine hohe Meßempfindbilden zwei Gruppen, von denen eine Gruppe mit vier lichkeit in Verbindung mit einer zuverlässigen Tem-Halbleitereleinenten in der äußeren ringförmigen peraturkompensation ermöglicht.
Kompressionszone und eine zweite Gruppe mit zwei Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geElementen in der zentralen Dehnungszone der Kreis- löst, daß eine einzige langgestreckte, rechteckförmige scheibe angeordnet sind. Eine dritte Gruppe, die aus 60 Schicht eines Einkristall-Halbleiters in radialer Richeinem einzigen Halbleiterelement besteht, ist an einer tung auf der Scheibe angeordnet ist, dessen Längssolchen Stelle angeordnet, daß dieses Halbleiter- richtung mit der Kristallisationsrichlung größter Empelement praktisch weder Dehnungen noch Kompres- findlichkeit zusammenfällt und der durch zwei Endsionen unterworfen ist. Dieses Halbleiterelement dient und eine Mittelelcktrode, die in Querrichtung angezur Temperaturkompensation innerhalb einer Brük- 65 ordnet sind, in zwei in radialer Richtung aiifcinanderkenschaiiung, in die die verschiedenen Gruppen von folgende DehnungMVicßstreifen unterteilt ist, die beDehnungsmeßstreifen bzw. Halbleiterelementcn ein- nachbarte Arme der Brückenschaltung bilden, und geschaltet sind (vgl. US-PS 32 47 719). daß die Mittelclektrode etwa mit der Übergangszone

zwischen den beiden Spannungszonen der Scheibe zu der Übergangslinie oder Übergangszone Λ' angezusammenfällt. Da nur eine einzige Halbleiterschicht ordnet ist, an der die beiden Spannungszonen der vorliegt, ergeben sich für die beiden Bereiche dieser Kreisscheibe 4 aneinander angrenzen,
einzigen Halbleiterschicht die gleichen Temperatur- Die Längsrichtung der rechteckförmigen Schicht koeffizienten des Widerstandes. Dadurch erhält man 5 fällt nicht nur mit einem Radius der Kreisscheibe, in dieser einzigen Schicht einen zuverlässigen Tempe- sondern auch mit der Kristallisationsrichtung größter raturausgleich. Durch die radiale Anordnung sowohl Empfindlichkeit der Schicht zusammen,
der Längsrichtung des Streifens als auch der Richtung Die Schicht des Einkristall-Halbleiters kann in der maximalen Empfindlichkeit der Halbleitercchicht üblicher Weise unter Zwischenschaltung eines isoiiewird im Zusammenwirken mit der besonderen Lage io renden Filmes aus Glaswolle oder Bindematerial aufder Mittelelektrode gewährleistet, daß in den beiden gebracht und mit Hilfe eines weiteren Filmes abgein radialer Richtung aufeinanderfolgenden Dehnungs- deckt sein. Die Einkristall-Halbleiterschicht kann meßstreifen des einzigen Halbleiterelementes zwei aber auch auf der Innenfläche der Kreisscheibe aufverschiedene Spannungszustände gemessen werden. gedampft und in einem Ätzvorgang behandelt wer-Durch die Verwendung nur eines einzigen Halbleiter- 15 den. Die Dotierung der Schicht kann vor oder nach elementes in der angegebenen Anordnung kann der dem Aufdampfen erfolgen.

Durchmesser der Kreisscheibe und damit die Abmes- Die zu den drei Elektroden gehörenden Leitungen

sungen der gesamten Einrichtung merklich kleiner als werden durch schmale Bohrungen in das Gehäuse-

üblicherweise gehalten werden, ohne daß dadurch die innere geführt und dort über Leitungen D, E und F

Meßempfindlichkeit beeinträchtigt wird. Diesbezüg- 20 mit den Armen einer Brückenschaltung verbunden,

lieh ist vorteiihafierweise die Länge der Einkristall- Dabei werden die in radialer Richtung aufeinander-

Halbleiterschicht annähernd gleich oder größer als folgenden Dehnungsmeßstreifen G 1 und G 2 an die

die Länge des Radius der Scheibe. Dadurch erhält Brückenschaltung so angeschlossen, daß sie in dieser

man ein besonders günstiges Verhältnis von Empfind- benachbarte Arme bilden. Die Leitungen D, E, F

lichkeit und Abmessungen der Einrichtung. 25 werden an einem Bauteil 6 unterstützt, der mit Hilfe

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schema- einer Schraubklappe 7 an dem Gehäuse 2 gehalten

tischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbei- ist. Die ganze auf Druck ansprechende Einrichtung 1

spielen näher erläutert. Es zeigt kann z. B. mittels Gewinde 2 a in eine Gewindeboh-

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine derartige auf rung einer Kesselwand 8 od. dgl. eingesetzt werden.

Druck ansprechende Einrichtung, 30 Wie aus F i g. 6 hervorgeht, sind die Drähte D, E,

F i g. 2 und 3 jeweils Querschnitte entlang der F mit der zugehörigen Schaltung durch eine Klemm-

Schnittlinien H-II und III-III der Einrichtung nach leiste 9 verbunden. Die Schaltung weist eine Gleich-

F ig. 1, stromquelle 10 mit parallelgeschaltetem einstellbarem

F i g. 4 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Widerstand VR auf. Die Drähte E und F, die mit

Ausführungsform mit Blick auf die Rückseite der 35 den Endelcktroden b, c des Halbleiterelements ver-

membranartigen Kreisscheibe. bunden sind, sind an diese Stromquelle angeschlos-

F i g. 5 Draufsicht und Querschnitt durch eine sen. Der Leiter D, der mit der Mittelelektrode α des

membranförmige Kreisscheibe als Ausführungsbei- Halbleiterelements verbunden ist, ist zusammen mit

spiel und dem verschiebbaren Abgriff 12 des Widerstandes an

F i g. 6 eine schematische Darstellung des Schalt- 40 ein Spannungsmeßinstrument eines Überwaehungs-

kreises. gerätes 11 angeschlossen. In diesem können die den

Die in F i g. 1 bis 3 dargestellte, auf Druck an- Druck in dem Kessel entsprechend gemessenen Spansprechende Einrichtung weist ein zylindrisches Ge- nungen aufgezeichnet werden. Zur Messung können häuse 2 mit einer zylindrischen Ausnehmung 2 b an aber auch andere Instrumente dienen,
einem Ende auf. In diese Ausnehmung ist ein Trag- 45 Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach teil 3 eingesetzt, der einen zur Achse des Gehäuses Fi g. 4 ist die rcchteckförmige Schicht des Einkristallkonzentrischen, ringförmigen Kragen 3 a aufweist. Halbleiters langer als der Radius der membranförmi-Dieser dient zur Befestigung einer membranartigen, gen Kreisscheibe. In der Figur ist die Ubergangszone flexiblen Kreisscheibe 4, die mit ihrem Umfangskra- zwischen der Dehnungszone und der Kompressionsgen 4a über den Kragen 3 α greift und mittels eines 50 _ZOne wiederum durch die strichpunktierte Kreisäußeren Befesligungsringes 5 gehalten ist. ■ linie -Y wiedergegeben. Der Radius dieser Kreislinie

Da die flexible Kreisscheibe mit ihrem Rand am beträgt 0,63 R, wobei R der Radius der Kreisscheibe

Gehäuse 2 in der beschriebenen Weise festgelegt ist, ist. Die aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstreifen

weist sie bei ihrer Ausbiegung unter Druck eine zen- und die zugehörigen Elektroden sind mit den gleichen

trale Dehnungs- und eine dazu konzentrische Korn- 55 Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Beispriches

pressionszone auf, wobei die Zonen im Bereich der wie in F i g. 1 bezeichnet. Bei der in F i g. 4 gezeigten

strichpunktierten Kreislinie X (vgl. die F i g. 2, 4 Einrichtung weist der Dehnungsmeßstreifen G 1' eine

und 5) aneinandergrenzen. größere Länge als der Radius der zentralen Deh-

Auf der Innenseite der membranartigen Kreis- nungszone auf. Dieser Dehnungsmeßstreifen kann

scheibe 4 ist eine einzige langgestreckte, rechteckför- 60 über seine volle Länge ausgenutzt werden, wobei

mige Schicht G eines Einkristall-Halbleiters in radia- dennoch eine vollständige Temperaturkompensation

ler Orientierung angeordnet. Diese rechteckförmige erzielt wird, und zwar auf Grund der Tatsache, daß

Schicht ist durch quer über die Schicht ragende Elek- die beiden aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstrei-

troden in zwei in radialer Richtung aufeinanderfol- fen den gleichen Temperaturkoeffizienten des Wider-

gende DehnungsstreifenGl und G2 unterteilt. Die ⁶S Standes des Einkristall-Halbleiters aufweisen. Durch

drei Elektroden bestehen aus zwei an den Enden der Verwendung einer Mittelelektrode α von größerer

slreifenförmigen Schicht angebrachten Endelektro- einstellbarer radialer Breite kann man die effektiven

den b und c und einer Mittelelektrode α, die tangential Längen der beiden aufeinanderfolgenden Dehnungs-

meßstreifen aneinander angleichen. Die Arbeitsweise der Einrichtung nach F i g. 4 ist im wesentlichen die gleiche wie die nach F i g. 1.

Bei allen Ausführungsformen ist die Kristallisationsrichtung größter Empfindlichkeit des Einkristall-Halbleiters stets in radialer Richtung der membranartigen Kreisscheibe orientiert. Daher werden nur radial wirksame Spannungen gemessen.

Die Lage der Übergangszone X ergibt sich aus Fig.5, in der die membranartige Kreisscheibe in Draufsicht und im Schnitt gezeigt ist und die Spannungsverteilung in Form eines Diagramms wiedergegeben ist. In der Figur ist mit G die Schicht des Einkristall-Halbleiters auf der Unterseite der Kreisscheibe wiedergegeben. Durch die mit ρ bezeichneten Pfeile ist die Druckbelastung der Kreisscheibe im Betrieb wiedergegeben. Strichpunktiert ist in der Figur die Ausbiegung der Kreisscheibe angedeutet. Der Durchmesser der Kreisscheibe beträgt 2 R. In dem Diagramm ist die Änderung der radialen Spannung ao or über dem Radius aufgetragen. Im äußeren Ringbereich ist die Spannung negativ, d. h., es handelt sich hierbei um die Kompressionszone, während im zentralen Bereich die Spannung positiv ist, was der Dehnungszone entspricht. Die Spannung wird in der Übergangszone λ', wie aus dem Diagramm hervorgeht, gleich Nn]!

Der Verlauf der in dem Diagramm wiedergegebenen Kurve errechnet sich aus folgender Gleichung:

or= + -^-[(I
8Λ²

In dieser Formel bedeutet:

h die Dicke der Kreisscheibe,

ρ die Druckbelastung der Scheibe,

ν das poissonsche Verhältnis des Scheibenmaterials,

r der Radius irgendeines vorgegebenen Punkte; auf der Kreisscheibe.

Au» dieser Formel errechnet sich der in der Zeich nung angegebene Wert des Radius der Übergangs zone X zu r_x = 0,63 R, wobei R der Radius de Kreisscheibe ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Bei einer anderen bekannten Einrichtung dieser Art Patentansprüche: sind die vier Arme einer Briickenschalmng an der kreisscheibenförmigen Membran direkt angebracht.

1. Auf Druck ansprechende Einrichtung mit Dabei wird davon ausgegangen^ daß bei Beaufschlaeinem Gehäuse und einer das Gehäuse an einem 5 gung der Kreisscheibe durch Druckkräfte die radial Ende abschließenden membranartigen, flexiblen gerichtete Zugspannung sich über eine radiale Weite Kreisscheibe, die mit ihrem Rand am Gehäuse von 57,7«/« des Gesamtradius erstreckt, an welcher derart festgelegt ist, daß sie -bei Ausbiegung unter Stelle ein Übergang von der Zugspannuno auf eine Druck eine zentrale Dehnungs- und eine dazu Kompressionsspannung erfolgt In der zentralen Dehkonzentrische Kompressionszone aafweist, deren io nungszone übersteigen dabei die tangentialen Span-Dehnungs- bzw. Kompressionsspannungen mittels nungen die radialen Spannungen. In der ringförmigen auf der Scheibe befestigten und in eine Brücken- äußeren Kompressionszone nehmen dagegen die !anschaltung eingeschalteten Dehnungsmeßstreifen gentialen Spannungen praktisch bis auf den Wert meßbar sind, dadurch gekennzeichnet, Null ab, während die radialen Kompressionsspandaß eine einzige langgestreckte, rechteckförmige 15 nungen zunehmen. Bei dieser bekannten Einrichtung Schicht (G) eines Einkristall-Halbleiters in radialer werden daher in der zentralen Dehnungszone die Richtung auf der Scheibe (4) angeordnet ist, des- Dehnungsmeßstreifen tangential oder in kre-bc sen Längsrichtung mit der Kristallisationsrichtung genförmiger Richtung orientiert, wahrend sie in der größter Empfindlichkeit zusammenfällt und der äußeren Ringzone radial orientiert sind (vgl. US-PS durch zwei End- und eine Mittelelektrode (a, b, c), 20 32 35 826). Die Anordnung ist dabei so getroffen, die in Querrichtung angeordnet sind, in zwei in daß in der inneren Dehnungszone zwei Halbkreisfläradialer Richtung aufeinanderfolgende Dehnungs- chen mit halbkreisförmigen Meßelementen bedeckt meßstreifen (Gl und G2) unterteilt ist, die be- sind, während in der äußeren Ringzone zwei gleiche nachbarte Arme der Brückenschaltung bilden, Teilringbereiche vorgesehen sind, die mit radial orien- und daß die Mittelelektrode etwa mit der Über- 25 tierten Meßelementen versehen sind. Die beiden innegangszone (X) zwischen den beiden Spannungs- ren und äußeren Bereiche sind jeweils symmetrisch zonen der Scheibe (4) zusammenfällt. ausgebildet, so daß sie auch in gleicher Weise auf

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- Verformungen der membranartigen Kreisscheibe ankennzeichnet, daß die Länge der Einkristall-Halb- sprechen. Die vier Bereiche bilden die vier Arme leiterschicht (G) annähernd gleich oder größer als 30 einer Wheatstoneschen Brückenschaltung.

die Länge des Radius der Scheibe (4) ist. Um Schub- oder Scherbeanspruchungen messen zu

können, ist es bekannt, den piezoelektrischen Widerstand eines Halbleitermaterials zur Erzeugung einer