DE2148998C3

DE2148998C3 - Messanordnung zur Kompensation der Drift eines Halbleiterwandlers

Info

Publication number: DE2148998C3
Application number: DE2148998A
Authority: DE
Inventors: Mineo Ishikawa; Hiroshi Kuno; Kenji Suzuki
Original assignee: Toyoda Koki KK; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyoda Koki KK; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1970-09-30
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1974-04-11
Also published as: DE2148998B2; FR2108733A5; DE2148998A1; US3737684A; JPS5015669B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit wenigstens einem eine physikalische in eine elektrisch Msßgröös umformenden naibieiicrciemeni, dessen an einer Ausgangsklemmc ausgegebene elektrische Ausgangsgröße mit einem Bezugspotential verglichen und die Differenz hieraus als Mcßgröfle verwendet wird, bei der ferner Maßnahmen zur Kompensator der Drift des Halbleiterwandlers vorgesehen sind

Bei der durch die deutsche Auslegeschrift I 235 033 bekanntgewordenen Schaltung dieser Art ist in einer Widerstandsbrückenschaltung wenigstens ein Widerstand als Halbleiterelement ausgebildet, und es sinü zur Kompensation der hei einer Temperaturänderuniauftretenden Empfindlichkeitsänderung der Schal lung Kompensjtionsv/iderstande in der Speisediago ic nale und in der Meßdiagon.'le der Brückenschal«an« vergesehen.

Die zur Temperaturkompensation vorgesehenen Maßnahmen sefzen teure Kompensalionswiderständc voraus, deren Temperaturenkoeffizient dem Tempe rat :rkoeffizienten des Halbleiterelementes angepaßi ist, bedingen eine Verminderung der Empfindlichkci: der Schaltung, da zum Meßinstrument ein Kompensationswiderstand parallel geschähet ist und ermögli ehe π keine Kompensation der Drif? des Halbleiter "> Wandlers bei kleinen Mcßgmßcn. Verändert sich nämlich während der Messung infolge einer Drift das Potential des betreffenden Anschlüsse . der Meßdia gonale, so kann die Potenlialdifferenz in der Meßdia gonale durch die Kompensationswiderstände ollen- *5 falis beim Fließen eines größeren Meßstromes ausgeglichen werden.

Der Erfindung liegt dir Aufgabe /ugrunoe, mi' einfachen Mitteln und ohne Verminderung der Empundlichkeit der Schaltung eine Kompensator! der Drift des Halbleiterwandiers und diese auch bei kleinen Meßgrüßen zu ermöglichen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Speicherschaltung vorgesehen ist, deren als Bezugspotential dienende Spannung durch Anlegen der elektrischen Ausgangsgröße der Halbleiterschaltung an die Speicherschaltung an die elektrische Ausgangsgröße anpaßbar ist, und daß ein Schalter zwischen der Ausgangsklemme des HaJbleiterwandlers und der Speicherschaltung vorhanden jst.

Bei der erfindungsgemäßen Ma3nahrre wird das Bezugspotential laufend an die elektrische Ausgangsgröße des Haibleiterwandlers vor der Messung angepaßt und damit jegliche Drift, gleich welchen Ursprungs, eliminiert. Voraussetzung ist lediglich, daß die Veränderung der Charakteristik des F'aibSeitefelementes so langsam erfoigt, daß sie für den Zeitabschnitt einer Messung vernachlässigbar ist. Diese Voraussetzung trifft bei dem hier in Frage kommenden Anwendungsgebiet imm· r zu.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von zehn Figuren näher erläutert. Die Fig. 1 und 2 beziehen sich hierbei auf eine bekannte Meßanordnung und dienen dazu, die bei bekannten Anordnunp.en vorhandene Problematik deutlirh 711 mxrh?n Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltung Sagramm einer bekannten Wheatstone'schen Brückenschaltung mit spannungsempfindlichen Elementen aus piezoresistivem HaIbfcitermateriat,

F i g, 2 eine Kennlinie, die die in der Schaltung nach Flg. 1 im Verlaufe der Zeit auftretende Drift darstellt,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines Halbleiterdruckwandlers,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht eines Halbleiterbeschle unigungsmesssrs,

Fig. 5 das Schaltungsdiagramm einer Drif (kompensationsschaltung für Halbleiterwandler,

So

Fig. 6 eine Kurve, die abhangig von der Zeit die durch die Schaltung nach Fig. 5 kompensierte Drift darstellt,

Fig. 7 bis 10 Schaltungsdiagramma von Abwandlungcn der Driftkompensationsschaltungen nach Fig ^s·

Bt iderinFig. 1 dargestellten bekannten Schaltung sind zwei Halbleiterverformungs- bzw. Spannungs"-me-vT innerhalb einer Wheatstone'schen Brikkensch..h'ingangeordnei,dieinAbhängigkeitvonderauf sie ι :nwirkenden Verformung bzw. Spannung an den A -—·-· " ....

nes ='-ermanium- bzw. Silizium-Emkn-^ils -jd.dgl. herustellt^amitsiediegleicheCh. rakic! :a haben" Es f.· praktisch wegen extremer H'-s^imngsschwlerigk. Hen nicht zu vermeiden, daß \c Halbleiterspan nuri^',messer in der Charak!.' s*^:k einen geringfügigen interschied aufweisen. Dei Unterschied in der

Cha akteristik der beiden Halbleiterspannungsmesser hat '.ifolge bestimmter äußerer Störfaktoren, ν ie eine; ' L-mperaturänderung im Verlaufe der Zeit eine Drii' ilcr Größe an den Ausgangsklemmen X und Y zur Kilge, selbst wenn auf die Halbleiter keine Spannung lusgeübt wird. Obwohl die beiden Spannungs- _nu -er aus entsprechenden p- und η-leitenden HaIbjciurn bestehen, deren Drift, wie .n F i g. 2 dargesteiil, enii-egengcsctztcs Vorzeichen hat, ist es nicht niögliiii die resultierende Gesamtdrift g, bis auf Null herab/ usel/Λ-η, la es unmöglich ist, die entsprechenden Widerstandsänderungcn im wesentlichen gleich groß /Ί machen.

So tritt es erwähnte Drift auch dai.n au wenn nach einer Nulleinsteilung, die vorgenommen wird, um die Ausgangsklemmen X und Y bei einer bestimmten Umgebungstemperatur auf das gleiche Poiential zu bringen, die Temperatur nachfolgend ander!. Die Dritt beeinflußt die gemäß der Spannung in tlcn Halbleiterspannungsmcsscrn erzeugte AusgaiiKSspannung, die zwischen den Ausgangsklemmen auftritt. Es ist deshalb schwie.ig, durch den Halblei lcrspannuniiswandlereine auf ihn einwirkende physikalische Größe genau in eine entsprechende elektrische Größe umzuwandeln.

Fig. JS zeigt den konstruktiven Teil eines crfindungsgemäßen Druckwandlers. Mit der Bezugszahl 1 is! ein zylindrischer Hohlkörper r '.cichnet An dem einen Ende des Hohlkörpers t ist eine Abdeckschtjibe 2 angebracht, an d^r wiederum eine flexible Membran 3 befestigt ist. Am äußeren Umfang der Membran 3 befindet sich ein Verstärkungsring 4. Die Membran 3 bildet ein druckempfindliches Teil.

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zwei Verformungs- bzw. Spannungsmesser G₁ und G₂ aus Halbleitermaterial angebracht, die die gleiche Charakteristik besitzen. Einer der Spannungsmesser, nämlich der Spannungsmesser G₁. ist in der Mitte der Membran 3 angebracht, so daß bei einer Biegebeanspruchung der Membran 3 in ihm eine Zugverformung bzw. Zugspannung erzeugt wird. Der andere Spannungsmesser G₂ ist an einem pcripheren Teil der Membran 3 angebracht, so daß in ihm bei einer Biegebt-arttpruchung der Membran 3 eine Druckverforjisung bzw. Druckspannung erzeugt wird. Die Enden der Halblciterspannungsmciscr G, und G₂ sind mit ciitsp-«!chenden Lci'iungpn a, b, c und d verbunden. Die von dem einen Ende der betreffenden Spannungsmesser C₁ und G, abgehenden Leitungen « und c sind durch eine am rückseitigen Ende des zylindrischen Hohlkörpers 1 befestigte Kappe 5 ms dem Hohlkörpei herausgeführt und mit entsprechenden Anschlüssen A und B verbunden. Die von dem anderen Ende der betreffenden Halbleiterspannungsmesser G₁ und G, abgehenden Leitungen b und d si.id miteinander verbunden und die gemeinsame Leitung ist aus dem Hohlkörper 1 herausgeführt und mi^f einem Anschluß D verbunden. Die Anschlüsse A, B und D sind zu einer Brücke geschaltet.

Fi g. 4 zeigt als ein weiteres Au^gestaltungsbeispiel den konstruktiven Teil eines Halbleiterbeschleunigungsmessers. Dieser besitzt einen Tragbalken 6 aus

'5 federndem Material, dessen eines Ende an einem Basisteil 7 befestigt ist, und dessen anderes freies Ende ein daran befestigtes Gewicht 8 trägt. Die Teile bilden ein Vibrationselement 9. Das Vibrationselemeni 9 ist in einem Behälter 10 untergebracht, der dicht eingcschlossen SiÜKonöl enthält. Entlang der Längsachse des Tragbalkens 6 sind auf dessen oberer und unterer Fläche zwei Haltleiterspannungsmesser G₁ und C₁ von nahezu der gleichen Charakteristik angebracht. Da der Tragbalken 6 entsprechend der Beschleunigung, die auf das Gewicht 8 ausgeübt wird, vibriert, erfahren die Halbleiterspannungsmesser G₁ und G₂ eine entsprechende Deformation bzw. Belastung. Wenn im Spannungsmesser G₁ eine Zugspannung hervorgerufen wird, wird im Spannungsmesser G₂ eine Druckspannung hervorgerufen. Wenn andererseits im Spannungsmesser G₁ eine Druckspannung verursacht w'.d, wird der Spannungsmesser G₂ auf Zug beansprucht. Die Enden der Halbleiterspannungsmesser G₁ und G₂ sind mit entsprechenden Leitungen «, b, c und d veibunden. Die von dem einen Ende der Spannungsmesser G₁ und G₂ abgehenden Leitungen α und c werden durch ein Leitungsrohr 11, das durch die rückseitige Wand des Behälters IO des Beschleunigungsmessers hindurchtritt, aus dem Behäher herausgeführt und sind mit den entsprechenden _ Klemmen A bzw. B verbunden. Die Leitungen b und d, die vom anderen Ende der Spannungsme ~.ser G₁ und G₂ abgehen, sind miteinander verbunden, und die gemeinsame Leitung ist ebenfalls durch das Leitungsrohr 11 herausgeführt und dann mit dem Anschluß D verbunden. Die Anschlüsse A, B und D sind zu einer Brücke geschaltet.

Fi g. 5 zeigt den Schaltungsteil einer erfindungsgemaßen Ausiührungsform. Diese besitzt an Stelle der üblichen Wheatstonc'schen Brücke eine Brückenschaltung. Die Halbleiterspannungsmesser G₁ und G₁ sind zwischen den /Anschlüssen A und B in Serie geschaltet. Der Anschluß A ist mit dem positiven Pol

_; σ K-

^i rct orf/arriiuiigat|u\'B%

die eine konstante Spannung besitzt, während die Klemme B an den negativen Pol der Spannungsquelle E angesc;Jossen ist. Die Brückenschaltung enthält außerdem einen Feldeffekttransistor Tr₁ (Junction Type), dessen Drain-Elektrode mit dem Anschluß A und mit dem positiven Pol der Spannungsquelle E verbunden ist. Die Sc-urcs-EIektrode ist über einen Widerstand R₁ an die Klemme B angeschlossen. Es ist auch als Speicherelement ein Kondensator C vorgesehen, desuen eines, Ende 7wischen, die Gate-Eleklrode des Transistors Tr₁ und einen Schalter S geschaltet ist. Das andere Ende des Kondensators ist mit dem negativen Pol der Spannungsquelle E verbunden. Der Kondensator C, derTransi-

stor 7V₁ und der Widerstand R₁ bilden einen Speicherkreis. Außerdem ist die Gate-Elektrode des Transistors Tr_x über den Schalter S mit einer Ausgangsklcmme D verbunden- Die Ausgangsklemme D ist zwischen den Spannungsmessern G₁ und G₂ <'ut diese angeschlossen.

Wenn der Schalter S geschlossen wird, bildet der Transistor Tr₁ eine durch die ,Spannung der Gate-Elcktrode gesteuerte Sourcc-Folgestufe. In diesem Zustand tritt an einer mit der Source-Elcktrode des Transistors Tr_x verbundenen Ausgangsktemmc F eine Potential auf, das im wesentlichen gleich dem Potential der Gate-Elektrode ist. So steuert in diesem Zustand die Brückcnausgangsgmßc, die an der Au.sgangsklcmme D auftritt, den Transistor 7V₁, wahrend gleichzeitig diese Ausgangsgröße dem Kondensator C zugeführt und in diesem gespeichert wird. Wenn der Schalter S geöffnet ist. wird der Transistor Tr₁ nicht durch die an der Ausgangsklcmmc D liegende Ausgangsgröße, sondern durch das im Kondensator C gespeicherte Potential gesteuert. So wird in diev:m Zustand, der von der Drain-Elektrode zur Sourcc-Kicktrode des Transistors Tr, fließende Strom durch die Gate-Spannung gesteuert, die im wesentlichen gleich dem Brückcnausgangspolcntial ist, wenn der Schalter Sgeschlossen ist. Man sieht,daß nach dem öffnen des Schalters S die Ausgangsgröße an der Ausgangs klemme F weiterhin auf im wesentlichen demselben Pegel gehalten wird, der unmittelbar vor dem Offnen des Schalters S vorhanden ist.

Der Schalter S kann ihirch einen gecipnetcn Druckknopf manuell betätigt werden. Wi'd andererseits die Erfindung bei einem zyklischen Vorgang angewandt, so kann der Schalter automatisch in vorge gehencn Intervallen jeweils wahrend des Teils eines Zyklus betätigt werden, in dem auf die Spannungsmesser G_x und G₂ keine Verformung bzw Spannung ausgeübt wird.

Im spannungslosen Zustand der Spannungsmesser G, und G₂ der beschriebenen Halblciterwandler tritt in den Spannungsmessern G₁ und G₂ keine durch Verformung bedingte Widerstandsänderung auf An der Ausgangsklcmme /) ist sumii auch keine· eine Verformung anzeigende Große vorhanden. Im Laufe der Zeit ändern sich jedoch die Tcmperaturbcdingungcn, und dies hat eine Änderung im Widerstand der Halbleiterspannungsmcsser G_x und G₂ tut f*oJgr Dies bedeutet, daß infol^j einer Temperaturänderung an der AusgangskJemme D eine durch eine Drift bedingte Ausgangsgröße erschein!. Wird der Schalter S geschlossen, wenn an der Ausgangsklemme D eine Driftspannung vorliegt, dann wird diese im Kondensator D gespeichert, und das gespeicherte Potential (Drift-Ausgangsgröße) wird der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors Tr_x aufgedrückt. Die so aufgedrückte Spannung steuert den Transistor Tr_x,d.h. den StrijiTi, der von der Hifi dürft positiven Pg* der SpSR' nungsquelle E verbundenen Drain-Elektrode zur Source-Elektrcde des Transistors fließt. Als Folge hiervon erscheint die der Gate-Elektrode des Transistors Tr_x aufgedrückte Spannung, d.h. die Drift-Spannung zufeige einer Temperaturänderung der Halbleiterspannungsmesser G₁ und G₂ an der Aus gangskfemme F. Strenggenommen, fließt ein geringer Vcrluststrom von der Gate-Elektrcde in die Source-Elektrode des Transistors, so daß die Ausgangsspannung an der Ausgangsklcmme F entsprechend der Ahnahme der Gate-Spannung zufolge des Gate-Verluststromes abnimmt. Der Gatc-Verluststrom ist jedoch vcrnachlässißbar gering, so daß es mögicli ist, durch Wahl einer, geeigneten Kapazitatswcrtcs des Kondensators C den AMaII der Ausgangsgröße an der

S Ausgangsklcmmc F geringer als die Drift'Spannung zufolge der Tcmpcraturündcning der Spannungsmesser G_x und G₂ zu halten.

Bei dem obigen System wird die Potentiafdifferen/. zwischen den Ausgangsklemmen O und Fimweücnt liehen /u Null gemacht und so genau und schnell die Nullcinstcllung des ilalblcücrwandlcrs bewirkt. Nachdem die Nulleinstcllungso ausgeführt wurden ist. wird der Schalter S geöffnet und danach als Aus gangsgroßc an der Ausgangsklcmme F der im Kon-

■ 5 densator C gespeicherte Spannungspcgei erhallen. Hei den nachfolgenden Messungen des Drucks oder der Beschleunigungdurchden llalhlcitcrwandirr wird in den Malblciterspannungsmcssern G_x und G₁ abhängig von dem zu mc&sendVn Druck bzw. der /u mes

ίο senden Beschleunigung eine Verformung bzw Spiiii iiung erzeugt. Hierdurch wird eine entsprechende Widerstandsänderung der Spannungsmesser G_x und G₁ hervorgerufen, so daß an der Ausgangsklemme /> eine der Verformung bzw. der Spannung in den Span

as nungsmcssern G₁ und C.'; entsprechende Ausgangsgroße ersehe? i. Diese Ausgangsgröße wird zwischen den Ausgangsklemmen D und F als Potentialdiffe reu/ abgenommen. Ist das der Verformung bzw Spannung in den Spannungsmrssern G, und G₁ ent sprechende Potential niedriger als das im Kondensa tor C zur Zeil der Nulleinstcllung gespeicherte Potential, dann wir»! der Zlnrulpnuitor i' durch den Spannungsmesser G₁ entladen, um die Nullc/nslcllung /u !-"wirken.

Wir bereits beschrieben, kann die infolge eine' im Verlaufe der Zeit auf.rcicnden Tempcralurandcrung entstehende Drift-Spannung wiederholt gelöscht werden, um wiederholt die Nulleinstcllung des Halblcilerwandlers zu bcv/irkcn, indem crfindungsgcmaß der Sehalter S in einem vorgegebenen Zeitabschnitt während jedes Zyklus, wenn kein Druck oder keine Beschleunigung vorliegen, geschlossen wird. So wird eine infolge einer Temperaturänderung erzeugte Drift-Ausgangsspannung gelöscht, bevor sie zu groß wird.

Fig. (S zeigt das Verhalten der durch eine sägc-/ahnähnliche Kurve g₄ dargestellten Drift-Spannung, welche in Abhängigkeit von der Zeil aufgetragen ist. Wie dargestellt, ist die periodische Drift-Spannung äußerst Llcin und verschwindet vollständig, nachdem sich der in Fig. 2 gezeigte Gleichgewichtszustand der Drift eingestellt hat.

Es kann somit durch die Erfindung eine zuverlässige NuIIcinstcilung erhalten werden, ohne daß ein konventioneller Temperaturkompensationskreis vor gesehen werden muß, und es ist hierdurch eine extrem genaue Messung der betreffenden physikalischen £\ri*Ri* WiC £^£S ririifke tinri Apt Ri>crliiiiiiniaiina mi^a.

Hch. ~^e~ ^& "~^&

Obgleich bei dem Ausführungsbcispiw nach Fig. 5

Bo ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (Junction Type) verwendet worden ist, ist die Anordnung keinesfalls auf diesen Typ beschränkt. Es können ebensogut Metalloxidschicht-Feldeffekttransistoren (MOS Type) verwendet werden. Es ist auch möglich, statt dessen

Trioden und Pentoden zu verwenden, die dem Feldeffekttransistor in der Arbeitsweise und in der Wirkung ähneln. Dies trifft auch für die folgenden Ausführungsiormcn zu.

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_ Wird ein MOS-Feldeffckllransislor verwendet, dann kann eine der beiden Gütc-Elcklrodci;, die der Gate-Elektrode des Spcrrschichl-Fcldcffukltmnsislors entspricht, durch den Schalter S mit der Ausgarrgsklcmmc D Varhundtin wurden, und die andere Gale-Eickirodc kann itiil dem Saurcc-St romkreis zur Beseitigung d?^ Rauscluins verbunden werden, Die übrigen Schalfurigsfciiekqitnc'fi iihrilich wie jene der vorhergehenden Ausführt!hgsform aüsgcbijdcf sein.

Die Fig. 7. 8. 9 und Hl /eigen entsprechende wci lere Ausführungsformen der Erfindung. In diesen Figuren si.id Teile, die der vorhergehenden Ausfuhrungsform enlsprcchci. mil den gleichen Be/ugs/ci chcn verschal, und sie werden nicht im einzelnen beschrieben. Es werden im wesentlichen nur die von der vorhergehenden Ausfuhrungsform unterschied!! chcrt Teile erläutert

Die Ausfuhrungsform nach f-1 g. 7 besitzt einen /u sälzlichcn oder /weiten Fcldcffekllransislor Tr,, der die gleiche Charakteristik wie· der jicnannlc Fcldef fckitransislor Tr, hat Die (:aü Elektrode des /weilen Feldeffekttransistors Tr₁ ist mit der Ausgangs klemme /J verbunden, der die Ausgangsspannungauf Grund der Widerstandsänderung der Spannungsmcs scr (J₁ und G₂ zuzuführen ist Die Drain -Elektrode ist mil dem positiven Pol der Spannungsquelle E und die Sourcc-Elektrodc über einen Widerstand R, mit dem negativen Pol der Spannungsquelle H verbim den Eine gesonderte Ausgangsklemmen P' ist mit dir Source Elektrode des /weilen Feldeffekttransistors T'j verbunden.

Die beschriebene Ausfiihrungsform ist c-inc Ver bcsserungder Ausfuhrungsform nach Fig 5 im Hin blick auf Messungen mil erhöhten Gcnauigkcitsanforderiingcn. Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. S. beider nur ein einziger Feldeffekttransistor Tr, vor gesehen ist, können no'-h die bei vielen Anwcndungsfallcn allerdings nicht störenden Mangel auftreten.

a) Es sind infolge der Source-Folgcstufcnverbindung des Feldeffekttransistors Obcrtragungsvcrlustc vorhanden.

b) Die Charakteristik des Feldeffekttransistors ist bei einer Tcmprraturändcrung selbst einer leichten Drin unterworfen.

c) Das Potential an der Ausgangsklemmc F kann wegen des Gate-Vcrluststroms. der die Gate-Spannung reduziert, nicht exakt auf dem in dem Kondensator (eingespeicherten Pegel gehalten werden.

Bei der vorliegenden Ausfiihrungsform können die erwähnten Mängel α und b durch die beiden Feldeffekttransistoren 7V,und Tr₂ der gleichen Charakteristik kompensieri werden. Sos'si die Differenz der Ausgangsgrößen zwischen den Ausgangsklemmen F und D' hei von einer Drift, die den Charakteristiken der Feldeffekttransistoren selbst zuzuschreiben ist.

Die Ausfübrungsform nach F i g. 8 besitzt einen Feldeffektschalttransistor Tr,.der an Stelle des Schalters S der Ausführungsform nach Fig. 5 vorgesehen ist. Die Gate-Elektrode des Transistors G, ist an einen Impulsgenerator 13 angeschlossen. Durch die Ausgangsgröße des Impulsgenerators 13 wird die Dram-Source-Strecke des Feldeffektschalttransistors Tr_y leitend gesteuert, um der Gate-Elektrode des Transistors Tr_x die auf Grand der Widerstandsänderung der Halbleiterspannungsmesser G₁ und G₂ erzeugte Ausgangsgröße aufdrücken tu können. So kann bei dieser Ausfuhrungsform die Nulleinstellung vollkommen

automalisch ohne manuelle Bedienung dadurch bewirkt werden, daß der '^pulsgenerator 13 der Gatc-Klcktrode des Fcldcffektschalttransistors Tr₁ zu beginn jedes Meßzyklus einen Ausgangsimpuls immer dann zuführt, wenn die Halblcitcrspannungsmeäser G₁ und G₂ im spannungseisen Zustand sind.

Abweichend von den vorhergehenden Ausführun&sformcn gemäß den Fig. S, 7 und H sind bei der Ausführungsform nach Fig. 9 die Halblciterspannungsmcsscr C₁ und G₁ /u einer halben Wheat sloiic"sehen Bruckcnschaltung geschaltet, die einen Widerstand R₁ mit einem Mittclabgriff enthält. Außerdem ist die Ausgangsklemmc D mit einem Operationsverstärker 12 verbunden, dem die durch

⁽5 eine Widerstandsänderung der Halbleiterspannungsmesser (J₁ und O'jcr/cußtc Ausgangsgroße zugeführt wild, und dessen verstark ic Ausgangsgröße an der Ausgangsklemmc D' c.cheint. Die Ausgangsgröße d'-s Operationsverstärkers 12 kann auch über den

*> Schalters an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors Tr₁ an-elegt v/erden.

Hei dieser Ausfiihrungsform kann abweichend von den vorhergehenden \usfuhrungsformcn die halbe Hruckenschaltungdurch den Widerstand R₁ vorläufig

*5 abgcglichrti werden So ist die Drift der halben ürukkcnscha. lung auf f>rund einer nachfragenden Temperaiurandcrung ;i 4.TSt klein. Die kleine Ausgangsgröße der Drift wird durch den Operationsverstärker 12 verstärkt, und die verstärkte Ausgangsgröße erscheint an der A.usgangsklcmmc D'. Beim Schließen des Schalters S wird die Ausgangsklemmen F im wesentlichen auf den gleichen Spannungspegcl gebracht, wie er am Verstärkerausgang vorliegt, und die Potcntialdiffercnz wird zwischen den Ausgangsklemmen F und D' hierdurch im wesentlichen zu Null gemacht. Nach darauffolgendem öffnen des Schalters S wird die Ausgangsklemmc F verglichen zu den vorhergehenden Ausführungsformcn auf einem niedrigen Polential gehalten. Andererseits wird die infolge einer

«o Widerstandsänderung der Halblcitcrspannungsim·¹» scr G₁ und G₁ erzeugte Ausgangsgröße dct Brückenhalfte durch den Operationsverstärker 12 ebenfalls verstärkt, und die verstärkte Ausgangsgröße erscheint an der Ausgangsklemme D'. Somit wird die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsklemmen F und D', verglichen zu dm vorhergehenden Ausführungsformen, sehr groß.

Bei d ser Ausführungsform ist auch das Gate-Potential des Transistors Tr₁ verhältnismäßig niedrig, so

so daß der Gate-Spannungsfall zufolge des Gate-Verluststromcs und die Drift des Transistors Tr, verringert sind. Die Schaltung ist damit für Messungen mit noch höherer Genauigkeit vorteilhaft.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 handelt es sich um eine Schaltung mit automatischer Nuileinstel- !ung, in die alle Merkmale der vorhergehenden Ausführungsformen gemäß den Fig. 5, 7, 8 und 9 aufgenommen sind. Die Schaltung errihäii alte obengenannten Schaltungskomponenten, nämlich eine halbe Brückenschaltung, welche Halbieitungsspannungsmesser G₁ und G₂ umfaßt und den in der Hälfte festgehaltenen Widerstand A₃, ferner der Verstärker 12, den durch den Impulsgenerator 13 gesteuerten Fe'deffcktschalttransistor Tr₃, den als Verstärkungsele-

ment dienenden ersten Feldeffekttransistor Tr , den zweites^ Feldeffekttransistor Tr₁, der die gleiche Charakteristik wie der erste besitzt, den Kondensator C und die Spannungquelle E. Diese Schaltung ist nicht

wesentlich in Mitleidenschaft gezogen durch den Source-Spannungsfairverlus. infolge der Souree-Folgestufenverb.ndimg des Feldeffekttransistors, «furch d.e thermische. Drift des Feldeffekttransistors selbst und durch den Gal«--Spannungsfalf zufolge des Gate-Verluststrorm im Felde fek.fransis.or. Sie zeichnet «ich auch dadurch aus, daß bei automatischer Kornpensatioti der thermischen Drift im Meßkreis der Haibfc, erspanmirtgsrnesser die Änderung der Ausgarigsgroße auf Grund einer Widerstandsänderung der Ha bleilerspannungsmcsser «!«,sprühend einer phys.kal.sthen (UnIk; w,c dem Druck .,der de, /,,a fassenden Beschleunigung genau als große Potential d.fferenz zwischen den beider, Ausgangsklemmen er faßt werden kann

im einzelnen sind bei der Ausfuhrung.sform nach Fig. lOüicHalblciierspannungsmesscr C₁ und (i,,u einer halber. WheaK.oneschen Uruckcnschaltunggc schaltet, dicdurch den Widerstand H, vor'aufig abgcglichen ist. pie Halblencrspannungsmesser C₁ und ti, sind außerdem an die Spaixnungsqucllc f. angeschfsen. so daß _S,_t· s.c.s an Spannung, hegen Die Aus gangsklemmc D dar halten Hruckcflschallung ,st m.i dem Opcralioiisvcrstärkci Ϊ2 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit der D^ain Elektrode des Fc/deffcklschalttran^tors Tr₁ uud mit der Gate E-Iektrodc des zweiten Feldeffekttransistors Tr₁ ver bunder. ... Die Ga,e-h.eV„ode des Schah.ran4.or, Tr, steht mn dem Impulsgenerator 13 in Verbmdung und die Sourcc-Eleklrode dice» I ransision mn der Ciate-Elektrode de, ersten le.deffekt.rans.stors Ir,.

ίο

dKteS.^KtkedeiScy.b»««», Tr₁ durch die Ausgangsimpulsc des Irnpulsgcnera.ors 13 letend gesteuert werden kann, um die auf der Widerstandsanderung der Halblciierspannungsmcsser C₁ und W₁ beruhende Ausgangsgröße des Opera-..on.sver_S,arkers 12 der Gate-Elek.rode des ersten Iransistors Tr, aufdrucken zu können. Der erste -Iransistnr Tr₁ hat die gleiche iharakter.s.ik wie der «eire Transistor 7λ Der Ausgang de, Verstärkers 12 ist sowohl über den Schautrans stör Tr, mit der Gate-ElektrodedeserstenTransistors Tr₁ ν -Wunden. als auch mit der Gaic-Elcktrodc des zweiten Ί rans. stors Tr, Die beiden Feldeffekttransistoren Tr, und Tr₁ liegen parallel zur Spannungsquelle £. wobei die Drain-Elektroden der Transistoren Tr₁ und Tr₂ mit den positiven Polen der Spannungsquelle E verbunden sind und die Source-Elektroden der Trans.storcn Tr, und Tr₂ über die Widerstände R₁ bzw. A₂ mi, den negativen Polen der Spannungsquelle E. Die Source-Elektroden stehen außerdem mit den en-sprechenden Ausgangsklemmen Fund D'in Verbindung. Wird die Drain-Source-Strecke des Schalttransistofs Tr₃ leitend gesteuert, dann haben somit die Ausgangsklemmen F und D' das gleiche Potential. Der Kondensator C ist zwischen der Gate-E.ektrode des ersten Trans.stors Tr₁ und der Ausgangsklemmc D paraifei zum Widefsiand Ä, gesebäiiei. Der erste Transistor Tr₁ dient als Verstärkungselement, der WiderstandÄ, und der Kondensator C bilden den Speicherkreis-Somitwifd, wenndie Drain-Source-Strecke des Schalttransistors Tr₃ leitend wird, die auf der W»- derstandsänderung der Halbleiterspannungsmesser G₁ und G₂ beruhende und durch den Verstärke- 12 verstärkte Ansgangsgröße der Ausgangsklemme Z>in dem Kondensator C gespeichert, und wenn die Drain-So-rce-Strecke des Transistors Tr₃ sperrend gesteuc - whd, wird die in dem Kondensator C gespeicherte Spanning, die der vorherigen Auses- ,ns-

«rö«e der Ausgangsklemmc D en pr ehr, f. Se

Gatc-Elcklrodc des ersten TramKlor,Trä,meiert

HeidcmAusführungsbeispieiXhFig loÄrf

Einstellung der Zeitsteuerung des leitenden Züstanties der Drain-Source-Strccke des Schafttronshtos '/>, durch den Puls des impulsgenerator« 13 in de! Weise, daß die Sieuerung in dcSti.Sn Zuband jeweils mii dem Zeitabschnitt (ibereirtslimmt in dem

i* inden Halbleitcrspannungsmesscrn S ZdCi kemT· dun h da· /u erfassende physikalische C w>ße wc dem Dm₁ k „der der Hcsthleunigung bed.n« c V^rfo mmm bzw Spannung w.rlieg,. oas Ausg ng,m>,c! S m Falle einer Änderung der AusgangsSk , s LZ

,_{5 CIllcr} Widerstandsänderung Tier HalbicitersD-In mähmesser C, und αzufolgcandi-r r Ursachen wu eines FcmpcralurwcdisrUabdcr/icrfaVSiphl sikahschen f .reüe von der At~sk emme /" / m Operat.onsvers.nrker 12 gebrach uTd™r , IZ

«, Ausgangsgröße w.rd der tiait-FIck trade^ des r rs, c, S ransistors Jr₁. _w,c der (,a.e HlekZdfdes /wc e Transistors Tr₁ aufgedruckt und h.erm" Ie Str«^ »ü v.,„ der Dram- ,ur Souue f :iek mJJder Γ Irans.s.cren Tr₁ und Ir gesteh so daßX As

>-, gangsklcmmcn F und ii'_tm wesen lidci, .uf«L gleiche Potential wie der Ausgang dc "liralimv« starken 12 g nacht werden IT.h... h ι Τ ι .herm.schen^rinc-n im eSe u d _m' _/w u Vl^n.' stör Tr. und Tr, ceKcnseiti« -iuf L <\ui die gleiche Cha atSik Κ« η tT

_sch_a„_llni, _angBOrdneI ,L.Vuch die übe ~" Verluste ,„ diesen Iransistoren /«(lc d, S Folgcsiufenverbindung werden JLSii"" Ix-nTsomi, w.rd eine nahe/,, wrfcSeN ι* /wischen d Afk^ ί'

Haiblcrrspa^llmesse^ f und C₁ und dem Widerstand fi' h, , > Γ u η

Hruckenschallun™ duS\TWiJ'

wird diese sehr Sine Drift wi^ nh ^AuS*"*™ !eilenden Zustand 5 D"i W ^ T ?'' ""

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Tr, das Potential der Ga e-E^ekTrode 1, ί

Tr) aufgedruckt und SchreSS ? ί ^r^n_S!stors

des SpeWXi^gSScS^ £

Zustand d_Cr Drain-See Streckt H V

Tr₁ wirkt der SpeTherkrS ^o daß efd P "'?Γ Potentials an der Ausian^ktemme F ^ά™^ f^es chen Wert wie vor dem nicht iSL 7 Λ ? ." Bei dieser Ausfünrun^fö™ S dt C ?"i

des Transistors Tr₁ veSi It S ?" der G^-S^^jT^
stromes klein ist und eine sehrgenaue PoS^ΐ stanzender Ausgangskiemme /JC . ,"^tialk°ⁿ" kann. Bangacierame /. sichergestellt werden

Wenn bei Fehlen eines Imniil«>e =_m a

Impulsgenerators U Z SSin Source

S^alttfansistors Tr nicht leitend ist

ner WiderstandsänderunJ der Ha

messer C₁ und G₂ Sende
gangsgröße durch² den Opla^ons

verstärkt und es erscheint an de ^ AuTi

eine entsprechende verstärkte AS d d ^SS^VS

^elne

(inl die au. einer Widerstandsänderung zufolge von Stürefffnkte;; wie ctncr Temperaturänderung beruht, ndc Ausgangsgröße bereits der Au^gangsklemme Γ zugeführt worden ist, wird nur die Ausgangsgröße als eine große Potcnlialdiffcrcnz zwischen den Ausgang klemmen F und D' erfaßt, die auf einer Widerstandsänderung der Halbleiterspannungsmesscr G₁ und G₁ zufolge einer durch eine entsprechende physikalische Größe verursachten Verformung bzw. Spannung beruht, so daß die in Frage stehende physikalische Größe extrem genau gemessen werden kann.

Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsforrncn zwei HalbHeitcrspannungsmcsscr verwendet worden sind, ist es selbstverständlich möglich, den einen der beiden Spannungsmesser durch einen Widersland zu ersetzen. Andererseits können auch mehr als

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zwei Halbleilerspannungsmesser verwt det werden falls dies wünschenswert erscheint.

Die Erfindung kann nicht nur bei Halbleiterdruek wandlern und Halbleitcrbeschleunigungsmcssern angewandt werden, um die auf Grund von störenden Ursachen, wie einem Tempcraturwcchsel, a-ftretcnde Drift zu kompensieren, sondern auch bei Halbleiter Verschiebungsmessern, Halbleiterbelastungsmcssern und anderen Halbicitcrwandle.n, bei denen die Vcr formungs- bzw. Spannungs-Widerstandscharaktcii^s!.'* ^c'^e;^ Halbleiters ausgenutzt wird. Außerdem kann vie Erfindung ebensogut zur Kompensation der Drift auf Grund von Störgüßcn wie einer Änderung des äußeren Drucks im Halbleiterwandlcr unter Verwcn dung der Temperaturwiderstandscharakteristik des Halbleiters und eines Halbleiterclementes als Thermistor angewandt wcrt'-n.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßanordnung mit wenigstens einem eine physikalische in eine elektrische Meßgröße umformenden Halbleiterelement, dessen an einer Ausgangsklemme ausgegebene elektrische Ausgangsgröße mit einem Bczugspotentia! verglichen und die Differenz hieraus als Meßgröße verwendet wird, bei der ferner Maßnahmen zur Kompensation der Drift des Halbleiterwandiers vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speicherschaltung (TR₁, R₁, C) vorgesehen ist, deren als Bezugspotential dienende Spannung durch Anlegen der elektrischen Ausgangsgröße der Halbleiterschaitung (A, G₁, G₂, B) an die Speicherschaltung an die elektrische Ausgangsgröße anpaßbar ist, und daß ein Schalter (S) zwischen der Ausgangsklemme (D) des Halbleiterwandiers und tier Speicherschaltung ( TR₁, R₁, C) vorhanden ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung ein Verstärkcrelement (TR₁) enthält, daß dis Potential an der Ausgangsklemme (F) des Verstärkerelemcnles auf dem gleichen Wert gehalten wird wie das Potential am Speichereiemeni (C) und daß die Meßgröße zwischen der Ausgangsklemme (F) des Verstärkerelementes und der Ausgangsklemme (D) der Halbleiterschaltung abgenommen wird.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße /wischen der Ausgangsklemme des Verstärkern! menies (TR.) und der Ausgangsklemme (D') ein-is weiteren Verstarkerelementes (TA₂) abgenommen wird, dessen Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme (D) der Halbleiterschaitung (A, G₁, G₂, B) verbunden ist und daß die beiden Verstärkerclemente (TR₁, TR₂) etwa die gleiche Charakteristik uufweisen.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine BriikisensehaÜiiRg sas zwei Haihieitereieinenien (G₁, G₂) und einem Widerstand (A₃) mit einem Abgriff zum Abgleich der Brückenschaltung umfaßt und daß zwischen den Abgriff und die Halbleiterelemente ein Operationsverstärker (12/ geschaltet ist, und daß die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers als eine Klemme der Meßdiagonale dient, die gleichzeitig mit dem Schalter (5 bzw. TR,) verbunden ist.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche ! bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbk-itereiemcnte und die Vcrstärkerelcmcntc aus der gleichen Spcisespannungsquelle (E) gespeist werden.