DE1698644A1

DE1698644A1 - Wandler

Info

Publication number: DE1698644A1
Application number: DE19651698644
Authority: DE
Inventors: Wilner Leslie Bruce
Original assignee: Becton Dickinson and Co
Current assignee: Becton Dickinson and Co
Priority date: 1964-05-04
Filing date: 1965-05-04
Publication date: 1971-02-25
Also published as: GB1111133A; DE1447995B2; GB1111134A; DE1447995C3; DE1447995A1; US3501732A; GB1137889A

Description

DR.ING. F. WUBSTHOFF 8 MtTNOHBN θ DIPL. ING. G. PULS SOHWEiaEHSTHASSE

DR.E.T.PEOHMANN tsuvok SS 06 Sl PATENT.

* 1638644 «K«.«*,*™«·™™

U-29 363

Beschreibung zu der Patentanmeldung

ENDEVOO GOEPORATION
3O1 South Arroyo Parkway, Pasandena, California

betreffend
Wandler.

Die Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Wandler zum Umwandeln von mechanischen Verlagerungen in elektrische Signale, und insbesondere auf ein verbessertes, auf Spannung bzw. Dehnung ansprechendes Element,

Bei vielen im allgemeinen verwendeten elektromechanischen Wandlern wird unabhängig davon, ob sie zum Messen der Beschleunigung, der Geschwindigkeit, des Druckes oder einfach der relativen Verschiebung von zwei mechanischen Teilen oder der Dehnung bzw. des Zuges in einem einzigen mechanischen Teil verwendet werden, ein Wandlerelement zum Feststellen der Relativbewegung von/zwei Teilen und zum Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Signales verwendet. Derartige Relativverschiebungen wurden bisher mit ver-

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schiedenen Arten von Dehnungsmessern bemessen, die teilweise ©in beträchtliches Gewicht besitzen, teilweise sperrig und unhandlich sind, während andere Dehnungsmesser nicht sehr empfindlich und sehr teuer sind. Einige der bisher verwendeten Dehnungsmesser als Teile von Wandlern waren vom Widerstandstyp. Solche Dehnungsmesser verändern ihren elektrischen Widerstand, wenn sie gedehnt werden. Im allgemeinen besteht ein Widerstandsdehnungsmesser aus Metall-P draht. Andere Dehnungsmesser haben hierzu bei Druck den Widerstand ändernde Materialien, also piezoresistive Materialien (piezoresistive materials), verwendet.

Die Verwendung von piezoresistiven Materialien anstelle von Metalldraht hat den Vorteil, daß die durch den Zug in dem Element erzeugte Änderung des Widerstandes im Vergleich zu einem Dehnungsmeßelement, das aus Metall wie Platin, Nickelchrom oder Konstanten zusammengesetzt ist, größer ist. Während bei Metall die Widerstandsänderung im allgemeinen ganz von der änderung der Länge und des Querschnittes bei einem konstanten spezifischen elektrischen Widerstände« herrührt, ist eine größere Widerstandsänderung bei piezoresistiven Materialien gefunden worden. Geeignete piezoresistive Materialien umfassen Halbleiter wie mit Bor gedoptes Silizium, bei denen die effektive elektrische Leitfähigkeit sich ändert, wenn das Material auf Zug beansprucht ist. Dabei gilt als spezifischer Widerstand der Widerstand pro Längeneinheit eines Dehnungsmeßelementes von Einheitsquerschnltt. Während piezoresistive Materialien slda

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hierzu als empfindlicher auf Zug ohne Dehnung als Metalle erwiesen haben, haften ihnen dennoch noch schwerwiegende Nachteile an. Insbesondere ist die Kennlinie von Dehnungsmeßelementen, die aus derartigen Materialien zusammengesetzt sind, äußerst unlinear, insbesondere bei starker Dehnung; weiterhin sind die Elemente schwierig mit dem zu testenden Gegenstand zu verbinden und an diesen anzubringen und sind außerdem schwierig mit Elektroden zu versehen.

Bei der besten Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße Dehnungsmeßelement als Festkörper ausgebildet, der eine zwei Hälften an ihren Enden miteinander verbindende Einschnürung aufweist und bei dem die Einschnürung oder der verjüngte Abschnitt eine solche Form und solche Abmessungen im Vergleich zu dem Zwischenraum zwischen den Hälften oder Kissen hat, daß das Dehnungsmeßelement frei von Auswölbungen oder Ausknickungen ist, wenn es in Längsrichtung wirkenden Druckkräften ausgesetzt ist. Ein solches Meßglied ist als Eulersche Säule bekannt. Ein Paar elektrischer Leitungen ist an die Teilhälften an sich gegenüberliegenden Seiten des verjüngten Abschnittes leitend aufgeklebt, während die beiden Teilhälften oder Kissen isolierend auf zwei bewegbare Abschnitte eines mechanischen Gerätes aufgeklebt sind, die unter dem Einfluß von äußeren Kräften relativ gegeneinander verlagert werden. Das Element, das durch Wahl der Form und der Abmessungen des verjüngten

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Abschnittes nicht auswölbbar gemacht werden kann, kann sowohl zum Messen von Druckkräften als auch von Zugkräften verwendet werden, ohne daß es einer Vorspannung oder Gegenkraft untercjwrfen wird. Es ist jedoch klar, daß viele . weitere Vorteile der Erfindung erreicht werden können, wenn das Element nicht auswölbbar ist und nur zum Messen von Zugspannungen verwendet wird. Die verschiedenen baulichen Einzelheiten, die Zusammensetzung der Materialien H und verschiedene Eigenarten des Dehnungsmeßelementes gemäß der Erfindung werden im späteren im einzelnen näher erläutert,

Unter anderem weist das Dehnungsmeßelement und der Wandler gemäß der Erfindung folgende Vorteile auf:

1. Das Dehnungsmeßelement gemäß der Erfindung macht es mö'glich, eine sehr hohe Ausgangsspannung für eine bestimmte Verschiebung zwischen seinen Enden zu erhalten.

W 2. Die Verwendung von großen Teilhälften oder Kissen *

zusammen mit einem verjüngten Abschnitt oder einer Einschnürung macht es möglich, die Wärme rasch von dem verjüngten Abschnitt abzuleiten, wodurch die Wärme von diesem verjüngten Abschnitt ohne Ankleben desselben an den zu testenden Gegenstand abführbar ist.

3. Das Dehnungsmeßelement besitzt ein niedriges Gewicht und eine geringe Größe.

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4. Durch Ausbilden des Elements als Eulersche Säule hat es eine hohe Steifigkeit, wodurch es in Beschleunigungsmessern oder anderen Geräten zum Messen von hin- und hergehenden Bewegungen TdIs hinauf zu hohen Frequenzen Verwendung finden kann.

5. Das Dehnungsmeßelement gemäß der Erfindung weist durch Anbringen zumindest seiner Seitenflächen an ein Paar von relativ gegeneinander bewegbaren Abschnitten, die ein Verbiegen des Elementes bewirken, einen hohen Lineari.tätsgrad auf.

6. Durch Ausbilden des Dehnungsmeßelementes als Eulersche Säule kann es gut zum Anzeigen von Druckspannungen sowie von Zugspannungen verwendet werden, ohne daß eine Vorspannkraft notwendig wäre, wie sie bei Drahtdehnungsmessern erforderlich ist.

7. Das Dehnungsmeßelement kann zum Anzeigen und Messen von hohen Drücken bzw. Zügen verwendet werden.

Me Erfindung wird Im folgenden anhand echtnatiicher Zeichnungen an mehreren lusführungebeiipielen näher erläutert.

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Fig. 1 ist eiJie perspektivische Darstellung eines Dehnungsmeßelementes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Draufsicht eines Dehnungsmeßelementes gemäß der Erfindung;

T*

Fig. 3 ist die Seitenansicht eines Dehnungsmeßelementes gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ist die Seitenansicht eines anderen Dehnungsmeßelementes gemäß der Erfindung;

Fig. 5 ist die Seitenansicht eines Dehnungsmeßelementes, das als Dehnungsmesser auf der Oberfläche eines zu testenden Gegenstandes verwendet wird;

Fig. 6 ist die Seitenansicht eines einfachen Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung;

Fig· 7 ist das Schaltbild einer Brücke, die zum Feststellen von Widerstandsänderungen des Behaungemefielementee Verwendung findet;

Pig. 3 let daa Schftltdlagraaa einer Brück·, dl« sum Peatstellen von different/ieilen ÄLderetandsänderuAgen von zwei De hnungsatB β lernen ten verwendet wird}

BAD OBIGINAL - 7 -

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Pig. 9 ist eine graphische Darstellung zum Erläutern einiger elektrischer Eigenschaften des Dehnungsmeßelementes gemäß der Erfindung;

Pig. 10 ist eine perspektivische Ansicht eines anderen, einfachen Beschleunigungsmessers gemäß der Erfindung, während

Pig. 11 ein Schaltdiagramm einer anderen Brücke ist,

die zum Anzeigen von different!eilen Widerstandsänderungen ™ von zwei Paaren von Dehnungsmeßelementen verwendet wird.

Bei der besonderen, in den Pig. 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Ausfüfjhungsform hat das Dehnungsmeßelement die Porm eines sehr schmalen länglichen Blockes aus halbleitendem Material mit einem verjüngten Abschnitt 10 in der Porm etwa eines Stundenglases, der zwei vergrößerte Teilhglften 12 trennt, auf die zwei elektrische Leitungen 14

auf leitende Weise aufgeklebt sind. Das in Pig. 1 darge- _Λ

stellte Dehnungsmeßelement hat die PDrm eines Stabes oder Blockes von rechteckigem Querschnitt. Das Element bes/Jitzt eine Gesamtlänge L von 0,25 cm, eine Gesamtbreite W von 0,13 cm und eine Dicke von 0,026 cm. Die Teilhälften haben von oben gesehen einen quadratischen Querschnitt mit ungefähr 0,13 cm Seitenlänge. Der verjüngte Abschnitt ist mittels zweier sich gegenüberliegendender Nuten 16, die auf entgegengesetzten Seiten des Abschnittes liegen, und mittels zweier weiterer Nuten 13 auf den anderen Seiten des Abschnittes gebildet.

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Die Nuten 16 weisen an ihren inneren Enden haibzylinderisehe Flächen auf. Die Radien dieser Flächen betragen etwa 0,03 om. Die Nuten 18 sind bis zu einer Tiefe von ungefähr 0,007 cm eingearbeitet* Demzufolge hat der verjüngte Abschnitt einen Querschnitt von ungefähr 0,015'cm χ 0,015 cm, wobei der kleinste Querschnitt eine Fläche von etwa 0,0002 cm bes/itzt. Der verjüngte Abschnitt besitzt nahezu einen quadratischen Querschnitt, ist jedoch an den Kanten durch chemisches Ätzen leicht abgerundet. Der verjüngte Abschnitt ist durch aus sich leicht kurvenförmig nach außen erstreckende Teile mit den Teilhäften verbunden.

Der Teil des Dehnungsmeßelementes, welcher zwischen den Teilhälften liegt, ist also eine Eulersche Säule in der Form eines kurzen Stundenglases, das frei von irgendeiner seitlichen Unterstützung ist. Die Länge a des verjüngten Abschnittes, die dem Abstand der beiden Teilhälften voneinanäer entspricht, ist etwas größer als die minimale Dickendes verjüngten Abschnittes, d.h. als die Dicke an dessen schmälster Stelle. Auf jeden Fall ist die Länge des verjüngten Abschnittes kleiner als diejenige Länge - ungefähr 3- oder 4-mal der kleinsten Dicke des Abschnittes - die.ein Auswölben verursachen würde. Das gesamte Element hat die Form einer Eu^erschen Säule, obwohl diese Tatsache nicht immer wesentlich für den Betrieb ist. Mit anderen Worten wird bei der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform das Element im Falle, wenn es in Längsrichtung in .Richtung der Längsachse X des Elementes wirkenden Druckkräften ausgesetzt ist, nicht aueknicken oder sich auswölben, sondern wird

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- ^l1 BAD ORIGINAL,

sich an dem verjüngten Abschnitt allmählich vergrößern oder verdicken, "bis das Element zerdrückt wird. Tiiährend ein Auswölben auftritt wenn das Element eine große Länge besitzt, so daß das Element die Form eines Stabes oder einer Stange besitzt, könnte der Ibschnitt des Elementes zwischen den Teilhälften noch als die Eigenschaften der Eulerschen Säule besitzend angesehen werden, wenn man die Kräfte betrachtet, die auf das Element an den dem verjüngten Ib- ^ schnitt am nächsten gelegenen Teilen der Teilhälften einwirken würden. Das Dehnungsmeßelement ist um seine Mittelachse X-X und um zwei gegenseitig senkrechte Ebenen, die sich dadurch erstrecken, symmetrisch. Bei dieser Ausbildung ist der verjüngte Abschnitt zu der Mittelachse konzentrisch und liegt in der Mitte zwischen den seitlichen Kanten und Flächen der Teilhälften.

Die Bedeutung der Verwendung eines verjüngten Abschnittes, der sich nicht auswölbt, liegt darin, daß das Dehnungsmeßelement ohne Auswölbung oder Ausknickung bis zu seinem Zerdrücken zusammengepreßt werden kann. Dies ermöglicht die Messung von Druckspannungen sowie von Zugspannungea über einen großen Spannungsbereich, ohne daß das Element mit einer festen Vorspannkraft vorgespannt sein müßte. Dies verdoppelt jedoch den meßbaren Spannungsbereich.

In Pig. 3 ist ein elektroraechanischer Wandler in Form eines sehr einfachen Dehnungsmessers hergestellt, der das Dehnungsmeßelement gemäß der Erfindung verwendet. Der Wandler

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der Fig. 2 umfaßt &in Paar von Stäben 30, die mittels zweier Schrauben 32 an ein Paar von gegeneinander relativ bewegbaren mechanischen Teilen 34 befestigt sind. Die beiden Stäbe sind voneinander durch einen schmalen Luftspalt 36 getrennt. Die beiden Stäbe weisen in einer Ebene liegende Flächen 38 auf, auf die ein Dehnungsmeßelement 8 der in Fig. 1 dargestellten Form aufgeklebt ist. Die beiden unteren ) Flächen 24 des Dehnungsmeßelementes 8 sind mittels eines isolierenden Zementes auf die Flächen 38 aufgeklebt. Um beste Ergebnisse zu erzielen, ist die Breite des Luftspaltes 36 kleiner als die Länge des verjüngten Abschnittes, so daß die gesamten Flächen 24 der Teilhälften auf die Flächen 38 aufgeklebt sind. Der verjüngte Abschnitt selbst ist nicht direkt auf die Stäbe aufgeklebt und daher frei von seitlichen Spannungen.

Wenn bei dem in Fig. 3 gezeigten Dehnungsmesser die zwei Teile 34 aufeinander zu oder voneinander weg verschoben werden, wird die Änderung des Zwischenraumes über die Stäbe 30 und die Teilhälften 12 auf den verjüngten Abschnitt 10 übertragen. Als Ergebnis wird der verjüngte Abschnitt belastet, wodurch sieh sowohl seine Länge als auch sein Querschnitt ändern. Diese Änderungen konzentrieren sich an der schmälsten Stelle des Abschnittes, an der der Widerstand pro Längeneinheit des Dehnungsmessers seinen höchsten Wert besitzt. In der Tat erzeugt die kurze Ausbildung des Stunden-

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glases eine Spannungsübersetzung dadurch, daß die Spannung an der schmälsten Stelle des verjüngten Abschnittes wesentlich größer ist als die Spannung im Falle, bei dem die Dicke des verjüngten Abschnittes zwischen den Befestigungspunkten an den Stäben 30 oder zwischen den Teilhälften die gleiche Größe besitzt. Diese Spannungsübersetzung vergrößert die Empfindlichkeit des Dehnungsmeßelementes. Empfindlichkeit 1st hierbei die bezogene Widerständsänderung (Δ R) geteilt durch die bezogene Änderung (Aa) in der Länge oder in der ™

a
Spannung definiert, welcher der verjüngte Abschnitt zwischen den Flächen der Teilhälften, die auf die Flächen der Stäbe oder anderer Spannung erzeugender Teile aufgeklebt sind, ausgesetzt ist. Als Ergebnis der gemäß der Erfindung erreichten hohen Empfindlichkeit kann für eine bestirnte Verschiebung eine hohe Ausgangsspannung erreicht werden.

Bei dem Dehnungsmesser der Fig. 3 sind die Teilhälften über ihre gesamte Länge auf die Stäbe 30 aiigeklebt. Eei einer

alternativen, in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Abstand D zwischen den Flächen 33 der mechanischen Teile, auf die die Teilhälften aufgeklebt sind, größer als die Länge a des verjüngten Abschnittes. In diesem Falle bleiben die dem verjüngten Abschnitt benachbarten Teilabschnitte der Teilhälften 12 unverklebt. Auf alle Fälle wird die Verschiebung dD, die zwischen den Stäben 30 auftritt, durch den verjüngten Abschnitt 10 an dessen engster Stelle aufgenommen, wodurch eine Spannungsübersetzung erreicht wird. Die

1 09809/0747 " ^u' "

Spannungsübersetzung ist etwas größer als das Verhältnis D/a. Aus diesem G-runde und weil der Widerstand pro Längeneinheit des verjüngten Abschnittes an der engsten Stelle am größten ist, wo auch die Spannung am größten ist, kann durch die Verwendung eines Dehnungsßlementes in der Form eines Stundenglases eine größere Empfindlichkeit für Zugbzw. Druckbeanspruchungen als anderweitig erreicht werden.

fe Wenn die beiden Teile 34 parallel zu der Achse X-X

relativ zueinander bewegt werden, dehnt sich bzw. schrumpft das Dehnungselement 3 nicht nur, sondern verbiegt oder wölbt sich relativ zur Achse X-X um eine dazu transversale horizontale Achse Y-Y. Aufgrund der kombinierten Spannung des Elements 3 und seiner Verbiegung ist die proportionale Widerstandsänderung des Dehnungsmeßelementes sowohl für positive als auch für negative Spannungen wesentlich linearer als in jedem anderen Fall.

P Die Art und Weise, auf welche der Widerstand des

Elementes 8 sich mit der Spannung ändert, ist in Fig. 9 aufgezeigt. In dieser Figur stellt die Ordinate die prozentualeWiderstandsänderung dar und die Abszisse die Spannung. In diesem Fall ist die Spannung als prozentuale Verringerung der Länge des verjüngten Abschnittes, bezogen auf dessen Gesamtlänge, ausgedrückt. Die Spannung, die sich längs der

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Achse Z-X ändert, hat jedoch, wie oben erwähnt, in dem Mittelabsehnitt des verjüngten Abschnittes einen Maximalwert.

In Fig. 9 stellt die gestrichelte Kurve G1 die Widerstandsänderung dar, die gemessen wurde, wenn das Dehnungsmeßelement 3 ohne Ausbiegung längs seiner Achse X-X einer Spannung ausgesetzt wurde. Solche Messungen werden ausgeführt, in-dem das Dehnungsmeßelement 8 in einem Gerät an- Λ gebracht ist, welches geeignet ist, Kräfte in axialer Längsrichtung zu erzeugen, während ein Ausbiegen der Teilhälften unterbunden wird. Die Kurve G2 stellt die Widerstandsänderungen dar, die beobachtet wurden, wenn das Dehnungsmeßelement 8 mit seiner Unterseite an zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen wie die Teile 30 angeklebt wird, die eine Scherspannung in dem Dehnungsmeßelement über dessen seitliche Flächen erzeugen. Wenn bei dieser Anordnung die Teilhälften gegeneinandergedrückt werden, biegt oder wölbt sich das Element nach oben, so daß es ™

an seiner Oberseite konvex ist; wenn jedoch die Teilhälften 12 auseinandergezogen werden, biegt oder wölbt sich das Element nach unten, so daß es an seiner Oberseite eine konkave Form aufweist.

Pig. 5 zeigt, wie das Dehnungsmeßelement direkt auf die Oberfläche 40 eines Gegenstandes, wie ein einer Spannung ausgesetzter Plugzeugflügel, aufgekelbt werden kann, In diesem Falle ist kein dem verjüngten Abschnitt 10 zwischen

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den Teilen des mechanischen Elementes, an den das Dehnungsmeßelement 8 befestigt ist, gegenüberliegender Luftspalt vorhanden. Jedoch ist auch in diesem Falle die gesamte Spannung, die über die Länge des verjüngten Abschnittes 10 auftritt, an der schmälsten Stelle dieses Abschnites konzentriert, so daß gleichfalls eine Spannungsübersetzung wie oben beschrieben erreicht wird.

Fig. 6 stellt einen einfachen Beschleunigungsmesser dar, der von der Erfindung Gebrauch macht. Bei diesem Beschleunigungsmesser ist eine Masse M an einem Ende eines flexiblen Arms 44 angebracht, dessen anderes Ende an einen Gegenstand 46 fest angebracht ist, der einer oszillatorischen Bewegung oder einer anderen Beschleunigung längs einer zur Längsachse des Armes 44 senkrechten Achse Z-Z unterworfen ist. In diesem Falle, in dem angenommen wird, daß die Achse Z-Z vertikal verläuft und derArm 44 eine glatte Oberfläche hat, wird ein Dehnungsmeßelement an dem Arm 44 an gegenüberliegenden Seiten einer in die obere Fläche des Armes eingearbeiteten Nut 48 befestigt, während ein anderes Dehnungsmeßelement an gegenüberliegenden Seiten einer zweiten in die untere Fläche des Armes eingearbeiteten Nut 49 angebracht wird. Die Nuten bilden einen Schwenkpunkt, an dem die Biegung dee Armes am größten ist, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung vergrößert wird.

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Bei diesem besonderen Beschleunigungsmesser wird das obere Dehnungsmeßelement gedehnt, wenn das untere Dehnungsmeßelement zusammengedrückt wird und umgekehrt. Wenn sich daher der Widerstand eines Dehnungsmeßelementes vergrößert, verkleinert sich der Widerstand des anderen Dehnungsmeßelementes.

Es gibt natürlich zahlreiche Wege, auf die die

Widerstandsänderungen des Dehnungsmeßelementes gemäß der Λ

Erfindung gemessen oder anderweitig ausgewertet werden können, die alle einem Fachmann in der Dehnungsmeßtechnik bekannt sind. In allen Fällen müssen die Teilhälften 12 mit Ausnahme über den verjüngten Abschnitt 10 voneinander isoliert sein, um ein Kurzschließen oder Nebenschließen des verjüngten Abschnittes durch einen äußeren Kreis zu vermeiden. Eine solche Isolierung kann sehr leicht dadurch hergestellt werden, daß die Dehnungsmeßelemente auf die Gegenstände, auf die sie befestigt werden, mit isolierendem Zement aufgeklebt werden. · I

In Fig. 7 ist eine Brücke dargestellt, die zum Anzeigen von Spannungsänderungen verwendet werden kann. Das Dehnungsmeßelement 8 und die Widerstände E.1, E2 und R3 sind dabei in die vier Brückenarme eingeschaltet. Ein Gleichspannungssignal wird von einer Quelle S in eine Diagonale der Brücke eingespeist und ein Aufzeichnungssystem RS wie ein übliches Verstärkersystem mit Oszillograph ist mit der anderen Diagonale

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der Brücke verbunden. In diesem Falle kann die Brücke durch Verändern des Wertes der Widerstände wie Einstellen eines veränderbaren Widerstandes ß1 unsymmetrisch gemacht werden. Die Brücke wird so weit unsymmetrisch gemacht, daß die Polarität des Signales, welches dem Aufzeichnungssystem zugeführt wird, über den gesamten anzuzeigenden Spannungsbereich unabhängig von der Größe des Widerstandes des Dehnungsmeßelementes 8 immer die gleiche bleibt»

Die in Fig. 3 gezeigte Brückenschaltung kann zum Feststellen von Änderungen des Unterschiedes im Widerstand zwischen den beiden Dehnungsmeßelementen des Beschleunigungsmessers der Fig. 4 während der Beschleunigungsmessung verwendet werden. In diesem Falle ist die Brücke also nicht symmetrisch, so daß die Polarität des Signales, welches dem 'Anzeigesystem zugeführt wird, unabhängig von dem Vorzeichen der Beschleunigung die gleiche bleibt. Bei einer anderen, in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform des Be-™ schleunigungsmessers wird ein Paar von Dehnungsmessern 8a und 8b an der Oberseite des Armes 44 verwendet, während ein anderes Paar von Dehnungsmessern 8c und 8d an der Unterseite verwendet wird. In einem solchen Falle können dte von den Spannungen erzeugten Wirkungen addiert werden, in-dem man Dehnungsmesser jedes Paares in einander gegenüberliegende Arme einer vierarmigen Brücke einschaltet, wie es in Fig. Π_dargestellt ist.

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Ss können verschiedene Arten von piezoresistiven Materialien bei dem Dehnungsmeßelement 8 Verwendung finden. Die zufriedenstellensten Materialien sind Halbleitermaterialien wie Silizium, das mit einer kleinen Menge Bor gedopt ist. Andere geeignete Materialien sind geeignet gedoptes Germanium, Siliziumkarbid und Galliumarsenid. Ein Material mit einer spezifischen

Leitfähigkeit von 3 Ohm/cm bei Raumtemperatur, das ύ

keiner Spannung ausgesetzt ist, hat sich als sehr zufriedenstellend -/erwiesen. Mit einem solchen Material hat das Dehnungsmeßelement mit den oben beschriebenen Abmessungen einen Widerstand von ungefähr 350 OHm. Dieser Widerstandswert macht das Dehnungsmeßelement für die Verwendung in einem Dehnungsmesser aus voelent wohl bekannten Gründen sehr brauchbar. Einerseits ist der Widerstand hinreichend niedrig, um eine übermäßige Aufnahme von Streusignalen, die von Starkstromleitungen und dergl. induziert werden, zu vermeiden, andererseits ist er aber hinreichend groß, um ein Anpassen an andere Widerstände in einer Brückenschaltung oder das Anpassen an die Impedanzen eines Verstärkungssystemes zu ermöglichen, unabhängig davon, ob eie vom Festkörpertypus oder von anderem Typus sind· Im allgemeinen ist ein Widerstand zwischen 10 OHm und 3 000 0hm äufleret zufriedenstellend.

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Die Erfindung macht den Bau von Dehnungsmessern möglich, die eine, hohe Güte oder einen hohen Meßfaktor besitzen und außerdem aufgrund der Tatsache, daß das spannungsempfindliche Teil nicht mit dem zu testenden Gegenstand innig verklebt ist, bei Temperaturänderungen keine extrem hohen Änderungen in der Kennlinie haben. Um den Torteil der Erfindung in dieser Hinsicht richtig einschätzen zu können, sollte man sich vor lugen führen, daß der Meßfaktor eine Eigenschaft des verwendeten Materiales ist und der prozentualen Widerstandsänderung gleich ist, die durch eine einprozentige Spannungsänderung in einem Stab aus dem einen gleichförmigen Querschnitt besitzenden Material hervorgerufen wurde Wie bekannt ist der Meßfaktor bei Halbleitermaterialien, die niedrig gedopt sind, hoch und verkleinert sich bei stärker gedopten Materialien. Der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes nimmt jedoch auch ab, wenn das Material stärker gedopt ist.

Bei bekannten drahtförmigen und aus piezoresistiven Material zusammengesetzten Dehnungsmessern können hohe Güte oder Meßfaktoren von über 150 aufgrund der Tatsache erreicht werden, daß derartige Dehnungsmesser über ihre gesamte Länge mit dem zu testenden Gegenstand verklebt werden können, so das derartige Dehnungsmesser leicht Ihre SHrae ableiten. Mit der Erfindung sind derartig hohe Meßfaktoren gleichfalls aufgrund der thermischen Eigenschaften des verjüngten

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Abschnittes im Zusammenhang mit den vergrößerten Teilhälften sogar in dem Falle möglich, wenn der spannungsempfindliche Abschnitt nicht mit dem zu testenden Gegenstand verklebt ist..Bei der Erfindung wird die in dem verjüngten Abschnitt entwickelte Wärme einfach über die beiden Teilhälften in den zu testenden Gegenstand abgeleitet. Aus diesem Grunde werden die Temperaturen durch das Dehnungsmeßelement hindurch nahezu gleichförmig gehalten, sogar dann, wenn die "Wärmeerzeugung sich ändert.

Aufgrund der Tatsache, daß bei der Erfindung der sυannungsempfindliche Abschnitt nicht innig mit dem zu testenden Gegenstand verklebt ist, wie es bei drahtförmigen Dehnungsmessern der Fall ist, wird daher durch die Verwendung von niedrig gedoptem HalbleitermataLal mit dem erfindungsgemäßeη Dehnungsmeßelement ein hoher Meßfaktor erreicht. Gleichzeitig weisen die erfindungsgemäßeη Dehnungsmesser nicht die Schwierigkeit auf, metallische Zuleitungen λ auf die schmalen Enden des drahtförmig ausgebildeten und aus Halbleitermaterial bestehenden Dehnungsmessers aufzukleben.

Die maximale Dehnung oder Längung, welche festgestellt werden kann, hängt von der Fließspannung des Materials ab, d.h. der Fließgrenze des gedehnten Meßelementes. Der maximale Druck, der festgestellt werden kann, hängt von

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der maximalen Belastung ab, der das Dehnungsmeßelement ohne Zerdrücken widerstehen kann. Messungen dieser Widerstandsänderungen sind dadurch ermöglicht worden, daß starke Ströme durch den verjüngten Abschnitt des Dehnungsmeßelementes ohne überhitzung hindurchgeleitet werden konnten. Es ist in der Praxis gefunden worden, dass Widerstandsänderungen von + 20 /ό über den meßbaren Spannungsbereich auftreten, ohne daß der spannungsemOfindliche Abschnitt Schaden erleidet.

Die Empfindlichkeit eines piezoresistiven Dehnungsmessers hängt von der Sichtung ab, in der die Spannung bezogen auf die Kristallstruktur einwirkt. Im Falle von Silizium wird eine maximale Empfindlichkeit in der 111-Richtung erhalten. Aus diesem Grunde wird das Dehnungsmeßelementmlt der Achse X-X längs der 111-Richtung des Kristalles hergestellt. Im Hinblick auf beste Ergebnisse wird der spannungsempfindliche Abschnitt aus einem einzigen Kristall gebildet.

Durch Verwendung eines peüzoresistiven Elementes der oben beschriebenen Art, bei dem ein verjüngter Abschnitt zwei Teilhälften miteinander verbindet, die an zwei relativ zueinander verschiebbaren Teilen befestigt und gleichzeitig an einen elektrischen Stromkreis ange-

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schlossen werden können, kann ein elektromechanischer Wandler geschaffen werden, der geringe Abmessungen, ein geringes Gewicht und eine hohe Empfindlichkeit besitzt und unter gewissen Umständen einen außergewöhnlichen hohen Linear!tatsgrad sowohl für Druckspannungen als . auch für Zugspannungen über einen weiten Meßbereich aufweist.

Patentansprüche

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Claims

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1. Spannungsempfindliches Element, gekennzeichnet durch ein aus piezoresistivem Material bestehendes Teil mit einem kurzen schmalen Abschnitt oder einer Einschnürung, der oder die zwei vergrößerte Teilhälften oder Kissen voneinander trennt, und zwei elektrische Zuleitungen, die auf entgegengesetzen Seiten des schmalen Abschnittes auf die TeMhälften leitend aufgeklebt sind.

2. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , aaQ das Teil eine solche Gestalt und solche Abmessungen besitzt, daß d,er Abschnitt des Teiles zwischen den beiden Teilhälften sich nicht auswölbt, wenn an den Enden des verjüngten Abschnittes in Längsrichtung wirkende Druckkräfte wirken.

3. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrischen Zuleitungen an Abschnitte des Teiles angeklebt sind, die auf einer Seite der Längsachse liegen.

4. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bulersche Säule mit zwei seitlich sich gegenüberliegenden und in einer Ebene liegenden glatten Fläohen auf entgegengesetzten Selten

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des verjüngten Abschnittes versehen ist, wobei die elektrischen Zuleitungen auf die Seiten der 'leuhalf ten aufgeklebt sind, die den glatten Flächen gegenüberliegen.

5. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus halbleitendem Material besteht, welches überwiegend aus einem Material besteht, daß aus der Gruppe Germanium, Silizium, Siliziumkarbid und Galliumarsenid ausgewählt ist.

6. Spannungs empfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Teil aus einem halbleitenden Material besteht, welches vorwiegend aus gedoptem Silizium mit einem kleinen Anteil an Bor besteht und das einen spezifischen Widerstand von etwa 3 Ohm-cm aufweist.

7. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes der beiden vergrößerten Teilhälften mindestens das 10-fache des Querschnittes des verjüngten Abschnittes beträgt.

3. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pest-

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körperteil die Form etwa eines Stundenglases besitzt.

9. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus einem einzigen Kristall besteht.

10. Elektromechanischer Wandler mit zwei asLativ zu- ^ einander bewegbaren Teilen, die zwei im wesentlichen in einer Ebene liegende Flächen aufweisen, welche durch einen eine Spannung erzeugenden Luftspalt voneinander getrennt sind und mit einer Einrichtung, durch die zum Verändern des Luftspaltes die beiden Teile relativ zueinander bewegbar sind, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) ein spannungsempflndliches Element umfaßt ein aus piezoresistivem Material bestehendes Teil, das zwei vergrößerte und durch einen verjüngen Abschnitt voneinander

™ getrennte Teilhälften besitzt und eine solche Form und solche Abmessungen hat, daß das Element sich nicht auswölbt, wenn es in Längsrichtung wirkenden Druckkräften unterworfen ist;

b) die vergrößerten Teilhälften haben zwei im wesentlichen in einer Ebene liegende Flächen, die jeweils mit den Flächen der relativ zueinander bewegbaren Teile verklebt sind;

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c) ein Paar elektrischer Zuleitungen ist auf leitende Weise auf die vergrößerten Teilhälften des p^sannungsempfindlichen Elements an gegenüberliegenden Seiten des verjüngten Abschnittes aufgeklebt..

11. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ zueinander bewegbaren Teile aus Metall bestehen, und daß ^ die vergrößerten Teilhälften mittels eines nichtleitfähigen Zementes auf die Flächen dieser Teile aufgeflebt sind.

12. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand zwischen den Leitungen längs eines Strompfades durch den verjüngten Abschnitt sehr klein ist im Vergleich zu dem elektrischen Widerstand zwischen den Leitungen längs eines anderen Strompfades, der durch die relativ zueinander f

bewegbaren Teile und außen am verjüngten Abschnitt des apannungsempfindlichen Elementes vorbei führt.

13. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das spannungsempfindliche Element die Form eines Stundenglases besitzt, und daß die Einrichtung zum Bewegen ein Verbiegen des verjüngten Abschnittes bewirkt, wenn die Länge verändert wird.

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14. Spannungsempflindliches Element, gekennzeichnet" durch ein aus elektrisch, empfindlichem Material bestehendes Teil mit einem kurzen, schmalen, zwei vergrößerte Teilhälften miteinander verbindenden Abschnitt, und durch eine Einrichtung zum Feststellen der Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Elementes, wenn auf dem kurzen schmalen Abschnitt eine Spannung wirkt.

15. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt jedes der vergrößerten Teilhälften mindestens das 10-fache des Querschnittes des schmalen Abschnittes beträgt.

16. Spannungsempfindliches Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt des Elementes zwischen den vergrößerten Teilhälften als Eulersche Säule ausgebildet ist.

17. Elektromechanischer Wandler, dadurch g e k β η η zeichnet, daß eine piezoresistive Einrichtung zwei über einen Schwenkpunkt miteinander verbundene Teile an Stellen in Abstand von dem Schwenkpunkt miteinander verbindet.

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18. Elektr~:_achn)aischer Wandler nach Anspruch I7,

dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistive Einrichtung aus Halbleitermaterial besteht.

t9. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch I7»

dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresisitive Einrichtung ein längliches piezoresisitives Teil umfaßt, dessen Enden jeweils an die beiden Teile

angeklebt sind, wobei der aktive Abschnitt der piezore- ^

sisitiven Einrichtung, der einer Spannung unterworfen ist, wenn die beiden Teile relativ gegeneinander verdreht werden, die Eigenschaften einer Eulerschen Säule besitzt»

20. Elektromechanischer Wandler, gekennzeichnet durch ein Stützteil mit zwei durch einen Schwenkpunkt miteinander verbundenen Einzelteilen, und durch ein steifes, sich selbst stützendes Element, von dem zwei Abschnitte jeweils an Stellen der Einzelteile, die von dem Schwenkpunkt einen Abstand aufweisen, angebracht sind, wobei das Element eine physikalische Eigenschaft besitzt, die sich mit der relativen Verlagerung der beiden Stellen ändert, wenn eines der beiden Einzelteile sich relativ zu dem anderen Teil um dem Schwenkpunkt dreht.

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21. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Abschnitt des Elementes, der zwischen den Stützstellen auf den beiden über den Schwenkpunkt miteinander verbundenen Einzelteilen liegt,, die Eigenschaften einer Eulerschen Säule besitzt.

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