DE1773365B1 - Piezoresistive einbauelemente fuer druck und kraftmessung - Google Patents

Description

dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Einbauelement nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Draufsicht auf das Einbauelement nach Fig. 1, und

F i g. 3 und 4 Längsschnitte durch Druckmeßgeräte, die je ein Einbauelement nach der Erfindung enthalten.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Einbauelement 21 besteht aus einer Siliziumplatte 22, in die ein piezoresistives Meßsystem 23 eindiffundiert ist. Mit der Siliziumplatte 22 ist ein metallischer Stützring 24 fest verbunden. Auf dem Stützring 24 ist ein Isolatorring 25 befestigt, der auf seiner dem Stützring 24 abgewandten Stirnfläche metallisierte Anschlußsektoren 26 trägt. Diese Anschlußsektoren dienen zur Befestigung von Dünndrahtleitern 27, deren andere Enden mit eindiffundierten Anschlüssen 29 des piezoresistiven Meßsystems 23 verbunden sind. Die Anzahl der auf dem Isolatorring 25 aufgebrachten Anschlußsektoren 26 ist gleich der notwendigen Anzahl von Anschlüsssen und beträgt gewöhnlich vier oder sechs. Zwischen den Anschlußsektoren 26 befinden sich Isolierstrecken 28. Die Anschlußsektoren 26 können mit starken Kontaktdrähten verbunden werden, beispielsweise durch Anwenden des Thermokompressionsverfahrens, durch Löten oder andere bekannte Verfahren.

Auch die Dünndrahtleiter 27 können mit den Anschlußsektoren 26 sowie den eindiffundierten Anschlüssen 29 des Meßsystems 23 mit Hilfe des Thermokompressionsverfahrens verbunden werden.

Durch die Verwendung eines besonderen Isolatorringes 25 mit Anschlußsektoren 26, mit denen die Dünndrahtleiter 27 leitend verbunden sind, entsteht ein robustes Einbauelement 21, dessen empfindliche Dünndrahtleiter einwandfrei abgestützt und gesichert sind. Dabei ist auch von Vorteil, daß die Dünndrahtleiter 27 möglichst kurz gehalten werden können, was im Hinblick auf eine Dauerfestigkeit günstig ist. Der Anschluß der Zuleitungen zu dem Einbauelement kann auf beliebige Weise an den Anschlußsektoren 26 erfolgen. Daher kann das erfindungsgemäße Einbauelement ohne Schwierigkeiten in verschiedene Gehäuse eingebaut werden. Zwei Beispiele für den Einbau des erfindungsgemäßen Einbauelementes in Gehäuse sind in den F i g. 3 und 4 der Zeichnung dargestellt.

F i g. 3 zeigt ein Einbaubeispiel mit axialer Anordnung der Anschlußleitungen 39. Das erfindungsgemäße piezoresistive Einbauelement 21 ist in ein zylindrisches Gehäuse 41 eingesetzt und wird in dem Gehäuse von einem isolierenden Druckring 42 gehalten, der mit Hilfe eines Deckels 43 gegen die An-Schlußsektoren des Einbauelementes 21 gedrückt wird. Der Druckring 42 ist mit leitenden Metallflächen 44 versehen, deren Anzahl der Anzahl der Anschlußsektoren auf dem Isolatorring 25 des Einbauelementes 21 gleich ist. Die Metallflächen 44, die

ίο durch Aufpinseln, Aufdampfen oder dergleichen Verfahren aufgebracht sein können, erstrecken sich bis über die Stirnfläche 46 des Druckringes 42 und liegen dadurch an den Anschlußsektoren des Isolatorringes 25 an. Die Enden der Anschlußleitungen 39 sind in Bohrungen 45 des Druckringes 42 gesteckt und beispielsweise durch Löten mit den Metallflächen 44 verbunden.

F i g. 4 zeigt ein Einbaubeispiel mit seitlich herausgeführten Anschlußleitungen, das eine besonders niedrige Einbauhöhe aufweist. Bei diesem Einbaubeispiel sind die blanken Enden 53 von Anschlußleitungen 54 auf die Anschlußsektoren des Isolatorringes 25 aufgeschweißt oder mit diesen Anschlußsektoren auf andere Weise unmittelbar verbunden. Nach dem Herstellen dieser Verbindung wird auf den Stützring 24 eine Deckplatte 52 aufgesetzt und mit dem Stützring 24 verbunden. Die Deckplatte 52 weist eine Durchtrittsöffnung für die Anschlußieitungen 54 auf, die nach dem Befestigen der Deckplatte vergossen wird.

Die behandelten Ausführungsbeispiele machen deutlich, daß das erfindungsgemäße Einbauelement eine in sich abgeschlossene Einheit bildet, die bereits die empfindlichen Dünndrahtleiter zum Anschluß des piezoresistiven Meßsystems umfaßt und bei der diese Dünndrahtleiter kurz ausgebildet und beidseitig abgestützt sind. Diese Verbindungen werden bereits bei der Fertigung des Einbauelementes hergestellt und brauchen später nicht mehr berührt zu werden.

Die Anschlußsektoren auf dem Isolatorring ermöglichen die einfache Befestigung von Anschlußleitungen, die unmittelbar oder mit Hilfe eines aus isolierendem Material bestehenden Druckringes erfolgen kann. In der Möglichkeit, einen solchen Druckring zu verwenden, liegt ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Einbauelementes.

Die Befestigung des Isolatorringes auf dem Stützring kann auf vielfältige Weise erfolgen. Bevorzugt wird die Verwendung eines aus Keramik bestehenden Isolatorringes, der auf den metallischen Stützring hart aufgelötet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

-OPY

Claims (2)

1 2 Leiterdrähte angebracht sind. Diese Leiterdrähte Patentansprüche: werden dann mit Dünndrahtleitem mit dem piezore- sistiven Meßsystem verbunden. Das Herstellen der

1. Piezoresistives Einbauelement für Druck- dazu benötigten Verbindungen innerhalb des Gehäu- und Kraftmessung, bestehend aus einer in einem 5 ses ist außerordentlich umständlich. Da außerdem metallischen Stützring gehalterten Siliziumplatte das Innere des Gehäuses zur Herstellung der elektrimit einem eindiffundierten piezoresistiven Meß- sehen Verbindungen zugängig sein muß, ist die Absystem, dadurch gekennzeichnet, daß dichtung eines solchen Gehäuses sehr schwierig.

auf dem Stützring (24) ein Isolatorring (25) fest Bei einer weiteren bekannten Anordnung ist auf

aufgebracht ist, der an seiner freien Stirnfläche io dem Stützung an der der Siliziumplatte abgewandten

metallisierte Anschlußsektoren (26) aufweist, die Seite ein flacher Deckel befestigt, durch den mittels

über angeschweißte Dünndrahtleiter (27) mit Isolatoren Kontaktstift« hindurchgeführt sind, die an

dem piezoresistiven Meßsystem (23) auf der SiIi- ihrem dem Meßsystem zugewandten Ende Federkon-

ziumplatte (22) elektrisch verbunden sind. takte tragen, die auf dem Meßsystem aufsitzen. Die

2. Piezoresistives Einbauelement nach An- 15 auf diese Weise herstellbare elektrische Verbindung spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metal- zu dem Meßsystem ist sehr stoßempfindlich, so daß lisierte Anschlußsektoren (26) aufweisende Isola- ein solches Einbauelement in allen denjenigen Fällen torring (25) aus keramischem Material besteht nicht eingesetzt werden kann, in denen es Stoßen und auf dem metallischen Stützring (24) hart auf- oder Vibrationen ausgesetzt ist. Außerdem wird die gelötet ist. 20 Siliziumplatte mit dem piezoresistiven Meßsystem

von den Kontaktfedern unter Spannung gesetzt, so

daß hierdurch eine gewisse Verfälschung der Meß- Λ

werte eintreten kann. Außerdem kann beim Aufbringen des Deckels nicht kontrolliert werden, ob die 25 Federkontakte das Meßsystem tatsächlich an den

vorgesehenen Stellen richtig berühren.

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoresistives Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

Einbauelement für Druck- und Kraftmessung, beste- Einbauelement der eingangs beschriebenen Art zu hend aus einer in einem metallischen Stützring gehal- schaffen, bei dem die Probleme der Kontaktierung terten Siliziumplatte mit einem eindiffundierten pie- 30 und der Abdichtung beim Einbau in ein Gehäuse zoresistiven Meßsystem. nicht mehr auftreten.

Bei diesen bekannten piezoresistiven Einbauele- Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

menten besteht das Meßsystem aus Widerstandspfa- gelöst, daß auf dem Stützring ein Isolatorring fest den, die an solchen Stellen in die Siliziumplatte ein- aufgebracht ist, der an seiner freien Stirnfläche mediffundiert sind, an denen bei der beabsichtigten Ver- 35 tallisieite Anschlußsektoren aufweist, die über angewendung dieser Einbauelemente mechanische Span- schweifte Dünndrahtleiter mit dem piezoresistiven nungen auftreten. Diese mechanischen Spannungen Meßs^stem auf der Siliziumplatte elektrisch verbunhaben erhebliche Änderungen des Widerstandswertes den s'nd.

der Widerstandspfade zur Folge. Daher können Im Gegensatz zu den bekannten Einbauelementen

Drücke und Kräfte dadurch gemessen werden, daß 40 weist das erfindungsgemäße Einbauelement zur Herdie Änderungen der Widerstandswerte des Meßsy- stellung der elektrischen Verbindungen metallisierte stems gemessen werden, die auf die Spannungen zu- Anschlußsektoren auf, an die kräftige Leitungsdrähte rückzuführen sind, welche die zu messenden Drücke angelötet oder angeschweißt werden können oder die und Kräfte in der Siliziumplatte hervorrufen. Zur auf sonstige Weise kontaktiert werden können. Die Messung der Widerstandswerte können die Wider- 45 elektrischen Verbindungen zu dem piezoresistiven standspfade des Meßsystems an eine Brückenschal- Meßsystem werden durch Dünndrahtleiter hergetung angeschlossen werden. Nach entsprechender sta- stellt, welche die Anschlußsektoren auf dem Isolatortischer Eichung kann die Empfindlichkeit des Ein- ring mit dem Meßsystem verbinden. Diese Dünnnbauelementes für eine konstante Speisespannung in drahtleiter sind kurz und beidseitig abgestützt, womV/at oder mV/kp festgelegt werden. Es hat sich 50 durch gewährleistet ist, daß stets einwandfreie Vergezeigt, daß nach entsprechender Alterung die Emp- bindungen vorhanden sind und die Siliziumplatte von findlichkeit eines solchen Einbauelementes eine sehr irgendwelchen Kräften, die durch die Kontaktierung hohe Konstanz aufweist. bedingt sein können, frei gehalten ist. Dabei erleich-

Damit solche Einbauelemente an der Meßstelle an- tert das erfindungsgemäße Einbauelement auch seigeordnet werden können, müssen sie in ein Gehäuse 55 nen Einbau in ein abdichtendes Gehäuse erheblich, eingebaut werden, das für eine einwandfreie Abdich- weil der Isolatorring mit den Anschlußsektoren an tung des Einbauelementes Sorge trägt und die Her- Gegenkontakte in dem Gehäuse angepreßt werden stellung von mechanischen Spannungen freien elek- kann, so daß innerhalb des Gehäuses zur Herstellung irischen Anschlüssen ermöglicht. Insbesondere bei elektrisch leitender Verbindungen keinerlei Arbeiten Einbauelementen für die Druckmessung muß eine 60 mehr auszuführen sind. Daher können die Gehäuse einwandfreie Abdichtung des Einbauelementes und im Hinblick auf den beabsichtigten Verwendungsein spannnungsfreier elektrischer Anschluß des piezo- zweck und eine möglichst gute Abdichtung optimal resistiven Meßsystems gewährleistet sein. Bei be- ausgebildet werden.

kannten Anordnungen sind jedoch diese Bedingun- Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfingen nicht in genügendem Maße erfüllt. So ist es be- 65 dung besteht der metallisierte Anschlußsektoren aufkannt, den die Siliziumplatte haltenden Stützring in weisende Isolatorring aus keramischen Material und ein Gehäuse einzusetzen, in welchem die zur Herstel- ist auf dem metallischen Stützring hart aufgelötet, lung der elektrischen Verbindungen dienenden Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung