DE19619686C2 - Halbleiter- oder hybridtechnologiebasierte Meßanordnung mit spezieller Impedanzanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine oben genannte Meßanordnung zum Messen physikalischer Größen, wie Kraft, Druck oder Beschleunigung, wobei Impedanzen verwendet werden, die aufgrund der physikalischen Größen ihren Wert ändern, so daß basierend z. B. auf einer Meßbrückenschaltung (Wheatestone′sche Brücke) oder einer Oszillatorschaltung (R-C-Oszillator) elektrische Signale gewonnen werden können, die den physikalischen Größen proportional sind.

Aus einem anderen technischen Fachgebiet sind temperatur­ kompensierte DMS-Meßbrücken bekannt, die mit einer Vervierfachung der Dehnmeßstreifen arbeiten (vgl. US 3,290,928, dort Fig. 1 und Fig. 2 in Verbindung mit Spalte 3, Zeilen 20 bis 45). Obwohl in dieser Schrift gedruckte oder abgeschiedene (deposited) Brückenschaltungen (vgl. dort Spalte 5, Zeilen 10 bis 15) erwähnt sind, werden sie auf eine biegsame Zwischen­ schicht (dort 68, als "pliable insulation sheet" bezeichnet) aufgebracht, welche dann zum Anbringen auf den der Belastung unterworfenen Körper angeordnet wird. Es existieren in der dortigen Fig. 2 unterschiedliche geometrische Orte, auf die die vervierfachten Impedanzen der dortigen Fig. 1 verteilt werden.

Die DE 39 41 364 A1 beschreibt Meßeinrichtungen mit einer Lastaufnahmeplatte und einen mit inneren und äußeren Trägern gehaltenen Rahmen (dort 2), wobei auf den Trägern innerhalb des Rahmens acht Dehnungsmesser und auf den Trägern außerhalb des Rahmens ebenfalls acht Dehnungsmesser (DMS) vorgesehen sind, die in einer dort beschriebenen Schaltung gemäß der dortigen Fig. 4 oder 5 in Brückenschaltungen verschaltet werden.

Meßsignale, die die tatsächlichen physikalischen Größen elektrisch abbilden, weichen oft von den idealen Verhältnissen ab. Fehlerquellen eines nicht idealen Brückenverhaltens können Geometriefehler, Materialfehler, Fertigungstoleranzen, Temperatur-Inhomogenität oder nicht ideale Meßgrößen-Einkopplung (aufgrund des Meßaufbaus oder der Sensor-Topologie) sein. Diese Fehlerquellen führen zu Signalen, die im Hinblick auf die eigentlich interessierenden Meßgrößen stören, sie also verfälschen. Zusammengefaßt können sich die obigen nichtidealen Einflüsse in einem Offset, in einer Temperaturdrift oder in einem nichtlinearen Kennlinienverlauf (elektrische Meßgröße zu physikalischer Systemgröße) manifestieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung in den eingangs genannten Meßeinrichtungen die Meßgrößen so genau wie möglich mit einer Meßanordnung meßbar zu machen, mithin die Kennlinie so linear als möglich zu gestalten, den Offset so weit als möglich zu reduzieren und die Temperaturdrift so weit als möglich zu kompensieren, wobei die Auswirkungen von Materialfehlern, Geometriefehlern und Fertigungsfehlern mit systematischer Verteilung über der Gesamtfläche des Wandlergebietes und Fertigungsfehler lokaler Art ausgeglichen werden sollen.

Diese Aufgabe löst Anspruch 1. Durch die elektrische Verschaltung der örtlich regelmäßig um die Achse verteilten Einzel-Impedanzen auf den (gedachten) geometrischen Zweigen zu Quellimpedanzen (zusammengefaßte Einzel-Impedanzen in einen elektrischen Zweig) können Fertigungsfehler, z. B. ein Maskenversatz, ausgeglichen werden.

Auch die Temperaturgradienten über der Gesamtfläche des Wandlergebietes werden mit der Vervierfachung der Impedanzen ausgeglichen und nicht ideale Meßgrößen-Einkopplungen werden gemittelt oder sind im Vergleich zu der Anordnung, bei der nur eine Impedanz statt der erfindungsgemäßen vier Impedanzen vorgesehen sind, leichter kompensierbar.

Eine Meßbrücke enthält zumindest zwei elektrische Zweige und in jedem solchen Impedanzzweig ist eine Mehrzahl von meßgrößen­ sensitiven Impedanzen angeordnet, die insgesamt durch den Faktor 4 teilbar ist. Anders herum ausgedrückt ist eine Brückenanordnung gemäß dem Stand der Technik so verändert, daß für jede Impedanz des Standes der Technik (= Quellimpedanz) nun 4 oder 8 oder 16 geometrisch verteilte Impedanzen gesetzt werden, um Mittelungen und die ausgleichende Wirkung der Fertigungstoleranzen zu erreichen.

Werden Brückenschaltungen mit 2 oder 4 meßgrößen-sensitiven Impedanzzweigen verwendet, so wird in der Topologie (der geometrischen Anordnung der vervierfachten Impedanzen auf dem die physikalische Kraft erfahrenden Meßkörper) so ausgebildet, daß jeweils Impedanzpaare aus diagonal gegenüberliegenden (elektrischen) Zweigen gebildet werden. Der im Stand der Technik nur als ein geometrischer Ort definierte Punkt der Anbringung eines Impedanzelementes wird erfindungsgemäß zu einem geometrischen Zweig, auf dem mehrere Impedanzen angeordnet sind. Die mehreren Impedanzen sind erfindungsgemäß solche aus jeweils diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen. Sind auf einem geometrischen Zweig, der eine gesamte Seite eines gedachten Vierecks sein kann, mehr als zwei Impedanzen angeordnet, so empfiehlt sich eine jeweils abwechselnde Anbringung zur Bildung von Paaren P1, P2, bei dem ein Paar aus Impedanzen diagonal gegenüberliegender Brückenzweige besteht und das benachbarte Paar von Impedanzen auf demselben geometrischen Zweig aus anderen Impedanzen besteht, die aber elektrisch auch in denselben diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen verschaltet sind. Diese "kreuzweise Verschachtelung" der elektrischen Impedanzzweige und der geometrischen Zweige erlaubt eine noch bessere thermische Mittelwertbildung als die oben umschriebene Grundanordnung.

Die Impedanzen, die die Meßgrößen aufnehmen und in elektrische Signale umsetzen (durch Änderung ihres Widerstandes, der zu einem geänderten Spannungsabfall oder zu einem geänderten Teilerverhältnis in einer Spannungsteilerschaltung führt), können paarbildend mit geometrisch eng benachbarten Impedanzen zusammengeschaltet werden, die so auf dem Meßkörper angebracht sind, daß sie meßgrößen-insensitiv sind, also keinen von der Meßgröße abhängigen Widerstand haben. Den zweiten gemischten Paaren - gegenüber den oben erwähnten nur meßgrößen-sensitiven (ersten) Impedanzpaaren - sind solche Impedanzen zugeordnet, die aus unterschiedlichen Impedanzzweigen stammen, die aber auf derselben Seite der Meßbrücke liegen. Die zweiten Impedanzpaare ermöglichen es, Temperatur- und Fertigungsfehler zu kompensieren, wenn nur zwei der Impedanzzweige einer Meßbrücke meßgrößen-sensitiv sind.

Sind alle 4 Impedanzzweige einer Meßbrücke (Vollbrücke) meßgrößen-sensitiv, so werden die vervierfachten Impedanzen jedes Impedanzzweiges kreuzweise so mit den geometrischen Zweigen verschachtelt, daß die geometrischen Zweige z. B. zwei Vierecke mit unterschiedlicher Seitenlänge bilden, die aber das gleiche Zentrum haben. Jeweils eng benachbarte parallele Seiten der beiden geometrischen Loci tragen dabei Impedanzen aus allen vier Impedanzzweigen, jeweils die diagonal gegenüberliegenden Impedanzzweige sind auf einem geometrischen Zweig und die anderen Impedanzen der anderen Brückendiagonale sind auf dem dazu parallelen aber eng benachbarten geometrischen Zweig plaziert.

Die oben umschriebenen Topologien sind für Halb- und Vollbrücke, und damit achsensymmetrisch bezüglich zweier durch den (geometrischen) Mittelpunkt der Topologie verlaufender 90°-Strahlen, selbst wenn die inneren und äußeren Impedanzpaare von den Achsen unterschiedliche Abstände haben.

Die erwähnten Meßimpedanzen können im wesentlichen ohmschen Charakter haben und werden dann aus einer Materialschicht mit spezifischem Schichtwiderstand hergestellt. Der Schichtwiderstand ergibt bei entsprechend flächiger Anordnung der Schichten den Meßwiderstand. Im Falle von Dickschichtwiderständen wird der Schichtwiderstand durch die Dickschicht-Pasteneigenschaft vorgegeben. Im Halbleiterbereich ist der Widerstand durch die Materialdotierung gegeben. Auch eine Dünnschichttechnik kann eingesetzt werden.

Der oben erwähnte Meßkörper ist an den geometrischen Zweigen membranförmig ausgebildet, womit er eine Materialdicke aufweist, die an diesen Stellen dünner als im übrigen Bereich ist. Dadurch entsteht eine lokale Erhöhung der Dehnungs- bzw. Stauchungseffekte durch die zu messende physikalische Größe (Kraft, Druck oder Beschleunigung o. ä.), so daß die Widerstandsänderung der Impedanzen deutlicher ausfällt.

Die erfindungsgemäß erläuterte Vervierfachung der meßgrößen­ sensitiven Impedanzen kann anders ausgedrückt auch eine Aufteilung der einen Impedanz des Standes der Technik in vier oder ein Mehrfaches von 4 diskreten Impedanzen sein. Die ein- oder mehrfach um den Faktor 4 aufgeteilten Impedanzen oder die ein- oder mehrfach vervierfachten Impedanzen werden auf die Impedanzzweige der Brücken geometrisch verteilt und elektrisch gleichwohl seriell oder parallel miteinander verbunden. Obwohl also die um ein ganzzahliges Vielfaches (n = 1, 2, . . .) vervielfachten Impedanzen geometrisch deutlich beabstandet werden, werden sie elektrisch eng miteinander verbunden, namentlich in denselben elektrischen Impedanzzweig seriell oder parallel geschaltet.

Die geometrische deutliche Beabstandung ist eine solche, die ein Gegenüberliegen (Verdrehen um 180°) oder ein deutlich beabstandetes Benachbarn (Verdrehen von ± 90° bedeutet.

Anders umschrieben werden kann das so, daß jeweils zwei 1/4 Impedanzen diagonal etwa über den Mittelpunkt der auf dem Meßkörper angebrachten Impedanztopologie (die Gesamtanordnung aller Impedanzen) angeordnet sind und zwei andere 1/4 Impedanzelemente ebenfalls diagonal etwa über den Mittelpunkt der Gesamtanordnung angebracht sind, aber um einen Winkel von vorzugsweise etwa 90° gedreht zum zuvor erwähnten Impedanzpaar plaziert sind.

Soweit bei der obigen Erläuterung geometrische Zweige als Seiten eines Vierecks umschrieben wurden, und Winkel von ± 90° oder 180° erwähnt wurden, verstehen sich diese Angaben als sinngemäß solche Angaben, die eine ungefähre Ausrichtung auf einer Linie bzw. einen ungefähren Winkel von 90 bzw. 180° bedeuten.

Die Erfindung(en) werden nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 ist als Referenz des Standes der Technik eine Aufsicht (linkes Halbbild) und eine Schnittansicht (rechtes Halbbild) von einer Meßanordnung mit 4 Meßimpedanzen R1, R2, R3 und R4, die auf den Randbereichen einer ringförmigen Membran 10m angeordnet sind, die Teil eines metallischen Meßträgers 10 ist, der eine Achse 100 hat.

Fig. 1a ist eine bekannte Schaltungsanordnung einer Vollbrücke mit den vier oben erwähnten Widerständen R1 bis R4, wobei die Referenzspannung U₀ ist und eine Differenzspannung in der Brückenmitte als u_diff abgegriffen wird, welche Spannung proportional zur zu messenden Beschleunigung, zur zu messenden Kraft oder zum zu messenden Druck ist, der auf den Innenteil 10i des Trägers 10 drückt oder wirkt gegenüber dem randseitig fest eingespannten Randbereich 10r.

Fig. 2 ist eine bekannte Basisanordnung mit 2 meßgrößen-sensitiven Widerständen R1 und R4, die am Rande eines quadratischen Membranbereichs 10m angeordnet sind. Im äußeren Randbereich 10r, der hier quadratisch ist, sind nicht auf die Meßgröße ansprechende Widerstände R2, R3 angeordnet.

Fig. 2a ist eine bekannte elektrische Verschaltung der vier Widerstände R1 bis R4 zu Fig. 2, wobei die sensitiven und nicht sensitiven Widerstände R₁, R₄ bzw. R₂, R₃ so markiert sind, wie auch in Fig. 2.

Fig. 2b ist eine Schnittansicht der Aufsicht von Fig. 2.

Fig. 3 ist eine für die Erfindung beispielhafte Anordnung mit vervierfachten Widerständen (8 Widerstände statt 2) und bildet ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber der Ausführungsform des Standes der Technik, die in Fig. 2 repräsentiert ist.

Fig. 3a ist die elektrische Verschaltung der acht Widerstände R11 bis R44 von Fig. 3, wobei die jeweils meßgrößen­ sensitiven Widerstände R1 (R11 bis R14) und R4 (R41 bis R44) in einem Impedanzzweig der Halbbrücke (jeweils parallel) geschaltet sind.

Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Topologie-Verbesserung zur Fehlermaskierung, wobei jeweils 4 Impedanzelemente in einem Brückenzweig vorhanden sind und alle vier Brückenzweige meßgrößen­ sensitiv sind (Vollbrücke). Der Meßkörper 10 ist derselbe wie derjenige von Fig. 1.

Fig. 4a ist die elektrische Verschaltung in Vollbrücken- Schaltung der Impedanzen R11 bis R44 von Fig. 4.

Fig. 4b verdeutlicht die schematische Verschaltung der Fig. 4a anhand eines Verdrahtungsplans, der den geometrischen Ort der sechzehn Impedanzen der Fig. 4 beibehält und die Verdrahtung so darstellt, wie sie durch Leiterbahnen oder Verdrahtung direkt auf dem Meßträger 10 verwirklicht wird.

Fig. 5 ist ein Widerstands-Splitting um den Faktor 16 (sie entspricht einer Verdoppelung der Schaltungsanordnung von Fig. 4), wobei an jedem geometrischen Zweig 11, 12, 13, 14, welche vier Zweige zusammen ein äußeres Quadrat bilden, zwei Paare P1, P2 von Impedanzen nebeneinander angeordnet sind, deren Verschaltung sich für ein jeweiliges Paar aus der Fig. 4a ergibt.

In Fig. 1 ist in rechtem und linkem Halbbild ein hier ringförmiger Träger 10 gezeichnet, der ebenso quadratisch sein kann. Er wird hier beispielhaft beschrieben und hat Geltung in ringförmiger oder quadratischer oder anderer Form für alle weiteren Figuren, auch dort tragen die korrespondierenden Abschnitte dieses Meßkörpers 10 die entsprechenden Bezugszeichen.

Der Meßkörper 10 ist um eine Achse 100 symmetrisch und weist eine innere Bohrung auf, an der ein mechanisches Kupplungsstück angebracht werden kann, auf das eine Kraft, ein Druck oder eine Beschleunigung wirkt. Ein innerer Bereich 10i ist mechanisch dick ausgestaltet und leitet über in einen ringförmigen Membranbereich 10m, der um ein Vielfaches dünner ausgestaltet ist, als der innere Bereich 10i und ein den Membranbereich 10m umgebender äußerer Randbereich 10r. Die Bereiche 10r und 10i sind im wesentlichen gleich dick gestaltet. Am inneren Übergangsbereich und am äußeren Übergangsbereich zwischen Membranbereich 10m und innerem Bereich 10i bzw. äußerem Bereich 10r sind auf der flachen Seite des Meßkörpers 10 vier Impedanzen R1, R2, R3, R4 angeordnet, die Dickschichtwiderstände, Dünnfilmwiderstände oder piezoresistive Widerstände sein können.

Eine Auslenkung des inneren Bereiches 10i gegenüber dem Randbereich 10r (oder umgekehrt bei Bewegung des äußeren Bereiches 10r gegenüber dem inneren festen Bereich 10i) bewirkt eine Formveränderung der Widerstände R1 bis R4 und damit eine Widerstandsveränderung, die über Meßspannung oder Meßstrom detektiert werden kann.

Die Meßbrückenschaltung in Fig. 1a zeigt die elektrische Verschaltung der geometrisch verteilten Widerstandsanordnung R1 bis R4 (Impedanz-Topologie). Die Meßspannung wird im Brückenzweig abgegriffen und hier mit u_diff bezeichnet, während der Referenzwert U₀, der die Brücke speist, in erster Näherung konstant gehalten wird. u_diff ändert sich abhängig von dem Belastungszustand des Meßkörpers 10, wobei die Widerstände R1 bis R4 in der Topologie so angeordnet sind, daß die diagonal gegenüberliegenden Widerstände R1 und R4 bzw. R2 und R3 jeweils zusammen in die gleiche Richtung auslenken, also zusammen größer werden oder zusammen kleiner werden. Dann ist die Differenzspannung u_diff in der Brückendiagonalen ein Maximum. U₀ kann (wie auch ein entsprechender Konstantenstrom) z. B. von der Temperatur (zu Kompensationszwecken) beeinflußt sein.

Fig. 3 und Fig. 3a zeigen die geometrische Gestaltung von vervierfachten Impedanzen R11 bis R44, die nach Art einer Matrix regelmäßig auf dem Meßkörper 10 aufgebracht sind. Hier ist der Meßkörper quadratisch und jeweils zwei Impedanzen sind auf einer Seite 11, 12, 13, 14 eines gedachten Quadrates geometrisch angeordnet, während sie elektrisch zu zwei diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen gehören. Beispielsweise seien die beiden Impedanzen R11 und R41 herausgegriffen, die zu der Impedanz R1 bzw. R4 in Fig. 3a gehören. In gleicher Weise ergeben sich die anderen Widerstände R12 und R42, die zu den selben Impedanzzweigen der Halbbrücke von Fig. 3a gehören, aber an einem anderen geometrischen Zweig angeordnet sind, namentlich der Seite 13.

Alle vier Impedanzen jedes Impedanzzweiges sind in der Fig. 3a parallel geschaltet und ergeben somit eine resultierende Zweigimpedanz von 1/4 ihres Wertes, wenn alle R gleich groß gewählt sind.

Die geometrischen Linien, auf denen die vier Impedanzen jedes Zweiges verteilt sind, ergeben sich aus der Schnittansicht der Fig. 2b, die wiederum den Membranbereich 10m als Quadrat veranschaulicht. Dort ist jeder geometrische Zweig das äußere Ende des Membranbereichs 10m, ebenso könnte er das innere Ende des Membranbereichs 10m sein.

Der Abstand von R₁₁ und R₄₁ bzw. den zugehörigen nicht sensitiven Impedanzen kann unterschiedlich sein, so daß z. B. ein gerader Fahrstrahl, der vom Zentrum ausgeht, über R₁₁ und die zugehörige insensitive Teilimpedanz aus R₂ verläuft; während dazu im Winkel ein zweiter Fahrstrahl durch dasselbe Zentrum und R₄₁ bzw. die Teilimpedanz aus R₃ verläuft. Achsensymmetrie wird gleichwohl beibehalten.

In Fig. 2 ist eine Halbbrücke nach dem Stand der Technik dargestellt, hinsichtlich der Anbringung von zwei meßgrößen­ sensitiven Widerständen R1 und R4 auf den geometrischen Zweigen 11 und 13. Diese beiden Widerstände werden in Halbbrückenschaltung verschaltet, während die zwei anderen Widerstände der aus vier Widerständen bestehenden Brücke der Fig. 2a nicht auf die Meßgröße ansprechen. Sie bilden eine Temperaturkompensation und eine Kompensation von Fertigungsfehlern lokaler Art, indem sie eng benachbart dem Meßgrößen-Widerstand angeordnet werden.

Diese Kompensations-Paare R1/R2 und R3/R4 aus jeweils einem Widerstand, der auf die Meßgröße anspricht und einem solchen, der nicht darauf anspricht, ist auch in der Fig. 3 verwirklicht, wobei die Vervierfachung der sensitiven Widerstände in einer Vervierfachung der nicht sensitiven Widerstände mündet.

Fig. 4 verdeutlicht das Vervierfachen eines Impedanzelementes des Standes der Technik anhand einer Vollbrücke. Hier werden die vier Elemente jedes Impedanzzweiges der Vollbrücke, die in Fig. 4a dargestellt ist, in Reihe geschaltet. Die Differenzspannung u_diff ergibt sich wiederum in der Brückendiagonale. Die bisher erwähnten geometrischen Zweige 11, 12, 13, 14 können anhand der Fig. 4 leicht hinzu gedacht werden, obwohl hier ein ringförmiger Meßkörper 10 mit Membranabschnitt 10m gewählt ist. Als Anhaltspunkt kann die Fig. 5 dienen, die die Vollbrücke der Fig. 4a verwirklicht, jeweils mit den dort abgebildeten linken Paaren R11, R41 (Paar P1) auf dem geometrischen Zweig 14 und dem Paar P2 aus R21, R31 auf einem weiter innen liegenden geometrischen Zweig 24, wobei die beiden erwähnten Zweige 24, 14 parallel und benachbart angeordnet sind.

In der Fig. 4b wird besonders deutlich, welche Impedanzen der vervierfachten Zweigimpedanzen elektrisch miteinander verschaltet werden und welche Impedanzen aus unterschiedlichen Impedanzzweigen der Fig. 4a auf denselben geometrischen Zweigen angeordnet werden. Nebeneinander sind jeweils Impedanzen aus diagonal gegenüberliegenden Zweigen, so bspw. die Impedanz R11 des linken oberen Zweigs und die Impedanz R41 des rechten unteren Zweiges der Brücke auf dem äußeren oberen geometrischen Zweig 14 und bspw. die Impedanz R31 des rechten oberen Impedanzzweiges und die Impedanz R21 des linken unteren Impedanzzweiges der Brücke auf dem oberen inneren geometrischen Zweig 24.

Nachdem die Membran 10m im Beispiel der Fig. 4 ringförmig ausgebildet ist, folgen die gedachten geometrischen Zweige 11, 12, 13, 14 bzw. 21, 22, 23, 24 nicht den äußeren oder inneren Rändern der Membran, sondern sind gedachte tangentenähnliche Linien, auf denen die Impedanzen angeordnet werden.

Wenn - wie Fig. 5 veranschaulicht - die Vollbrückenschaltung verdoppelt wird und aus einem Widerstand jedes Brückenzweiges 2 mal 4, also 8 Impedanzen werden, können vier dieser Impedanzen jeweils in Serie geschaltet werden und jede Gruppe dieser vier Impedanzen in jedem elektrischen Zweig der Brücke parallel geschaltet werden. Daraus ergibt sich als elektrische Verschaltung der Fig. 5 eine verdoppelte Schaltung der Fig. 4a.

In geometrischer Anordnung hält die Fig. 5 noch eine Besonderheit bereit. Es werden hier auf einem geometrischen Ort 14 bzw. 24 (beispielhaft herausgegriffen) mehrere Paare von Impedanzen gebildet, die denselben diagonal gegenüberliegenden Impedanzzweigen der Vollbrücke angehören. So gehören die Widerstände R11 und R41 dem linken oberen bzw. rechten unteren Brückenzweig an und bilden ein erstes Impedanzpaar P1 auf dem geometrischen Zweig 14 als obere Seitenlinie des äußeren Vierecks. Ein zweites Impedanzpaar P2 wird gebildet aus den Impedanzen R12 und R42, die ebenfalls dem linken oberen und dem rechten unteren Impedanzzweig der Vollbrücke gemäß Fig. 4a (in verdoppelter Schaltung) angehören.

Die auf einem geometrischen Zweig so gebildeten Impedanzpaare P₁ und P₂ sind jeweils sich abwechselnde Impedanzen aus diagonal gegenüberliegenden Zweigen der Brücke.

In Variante zu vorgenannter elektrischer Vorschaltung können auch die beiden parallelen Zweige aus je vier Impedanzen in jedem Impedanzzweig (alle) in Reihe geschaltet werden, so daß jeder Impedanzzweig der Vollbrücke aus 8 hintereinander geschalteten Impedanzen besteht. Dann werden die Paare P1 und P2 auf der geometrischen Seite 14 aus den jeweils oberen beiden Impedanzen des linken oberen Zweiges und des rechten unteren Zweiges der Brücke gebildet, wobei sich die Impedanzen aufgereiht abwechseln, also kreuzweise verschachtelt werden. Auf dem dazu senkrechten geometrischen Ort 13 wird die dritte und vierte Impedanz des linken oberen Impedanzzweiges und die dritte und vierte Impedanz des rechten unteren Impedanzzweiges der Vollbrücke kreuzweise verschachtelt. Die anderen ergeben sich entsprechend.

Für den Fall der Speisung der Brücke mit im wesentlichen konstanten Strom I₀ (statt U₀), können auch vollständige Parallelschaltungen aller acht Teilimpedanzen R₁₁ bis R₁₈ pro Impedanzzweig gewählt werden.

Im Aufbau der Fig. 5 ergibt sich eine sehr gute thermische Mittelwertbildung, neben der schon sehr guten Kompensierbarkeit von Temperaturgradienten über die Gesamtfläche des Wandlergebietes von Fig. 4.

Fig. 5 eignet sich besonders für silizium-basierte Implementierungen.

Erläutert sei ein Temperatur-Matching anhand der Fig. 4 mit zwei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 in den Wandlergebieten R11/R41 und R43/R13. Nachdem diese lokal unterschiedlichen Temperaturen Wandler betreffen, die in diagonalen Brückenzweigen liegen, ist R11(T1)/R41(T1) = R13(T2)/R43(T2).

Ein Störgrößenausgleich bei nichtlinearer Krafteinleitung sei ebenfalls anhand der Fig. 4 erläutert. Eine im Winkel von 45° zwischen den Impedanzen R11 und R42 eingeleitete Kraft F führt zu Kraftkomponenten in den Impedanzen R34, R24, R14, R44 und in den Impedanzen R23, R33, R43 und R13. In den vorgenannten Impedanzen entsteht eine Druckkomponente, während in den übrigen 8 Impedanzen, zwischen denen die Kraft eingeleitet wird, ein Zug entsteht. Die Störgrößenkompensation wird durch die Vervierfachung der Wandlerelemente erleichtert, da zweimal Zug und zweimal Druck gemessen wird, die addiert ungefähr Null ergeben.

Claims (11)

1. Halbleiter- oder hybridtechnologiebasierte Meßanordnung zur Messung einer physikalischen Grundgröße, wie Kraft, Druck oder Beschleunigung als Meßgröße,

• - mit mehreren auf einem einzelnen Meßkörper (10; 10r, 10m, 10i) regelmäßig um eine Achse (100) eines Material-Dünnungsgebietes (10m) des Meßkörpers (10) gelegenen geometrischen Zweigen (11, 12, 13, 14; 14, 24), auf denen gleichsinning auf die Meßgröße reagierende (meßgrößen­ sensitive) Einzel-Impedanzen (R11, R12, R13, R14) fest, insbesondere einstückig angeordnet sind;
• - die Einzel-Impedanzen (R11, R12, R13, R14) in Dünnfilmtechnik, Dickschichttechnik oder durch Halbleiterdotierung ausgebildet sind;
• - jeweils vier meßgrößen-sensitive Einzel-Impedanzen aus vier jeweils verschiedenen geometrischen Zweigen zu einer Quellimpedanz (R1, R4) in einem elektrischen Zweig elektrisch leitend verschaltet sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, bei der jede Quellimpedanz mehrfach vervierfacht ist, indem jeweils zumindest zwei Einzel-Impedanzen aus einem geometrischen Zweig in einem elektrischen Zweig einer Brückenschaltung verschaltet sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Einzel- Impedanzen in zwei oder vier elektrischen Zweigen einer bzw. der Brückenschaltung elektrisch verschaltet sind.

4. Meßanordnung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der jeder meßgrößen-sensitiven Einzel-Impedanz eine nicht meßgrößen-sensitive Impedanz paarbildend geometrisch eng benachbart zugeordnet ist.

5. Meßanordnung nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der die Einzel-Impedanzen jedes elektrischen Zweiges an deutlich unterschiedlichen geometrischen Orten angeordnet sind, gleichwohl elektrisch in Reihe oder parallel in dem jeweiligen elektrischen Zweig - zur Bildung der Quellimpedanz - geschaltet sind.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, bei der die geometrische Verteilung der die Quellimpedanz eines elektrischen Zweiges bildenden Impedanzen (R11, R12, R13, R14) entlang eines gedachten Linienzuges erfolgt, der einen Kreis beschreibt, wobei dieser Kreis wenigstens stückweise in etwa gleichlaufend mit der Begrenzungskontur des Material- Dünnungsgebietes (10m) ist.

7. Meßanordnung nach Anspruch 5, bei der ein geometrischer Zweig im wesentlichen eine Seite eines rechtwinkligen Vierecks ist, das wenigstens stückweise in etwa gleichlaufend mit der Begrenzungskontur des Material- Dünnungsgebietes (10m) ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei der auf jedem geometrischen Zweig (11, 12, 13, 14) insbesondere abwechselnd Impedanzen aus zwei in einer Brückenschaltung diagonal gegenüberliegenden Zweigen (R1, R4; R2, R3) angeordnet sind (R11, R41; R12, R42; . . .).

9. Meßanordnung nach Anspruchs 7, bei der als geometrische Zweige zwei Vierecke mit unterschiedlichen Seitenlängen aber gleichem Zentrum (100) vorgesehen sind und in den direkt benachbarten parallelen Seiten der Vierecke unterschiedliche Brückendiagonal-Impedanzen (R1, R4; R2, R3) angeordnet sind.

10. Meßanordnung nach einem der obigen Ansprüche, bei der die Impedanzen auf einem geometrischen Zweig (14) ein Impedanzpaar (P₁, P₂) oder ein ganzzahliges Vielfaches von Impedanzpaaren (P₁, P₂) bilden, wobei jeweils ein solches Paar aus Impedanzen von zwei diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen als elektrische Zweige gebildet wird.

11. Meßanordnung nach Anspruch 1, die in einer RC-Oszillatorschaltung enthalten ist.