DE2244906C3 - Biegebalken-Kraftmeßwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Biegebalken-Kraftmeßwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Es ist schon ein Biegebalken-Kraftmeßwandler dieser Art vorgeschlagen worden (DE-PS 21 41 292), der mit mindestens einem Paar von an einem Biegebalken vorgesehenen Halbleiterwiderständen ausgerüstet ist, von denen der eine durch eine am Biegebalken angreifende zu messende Kraft gedehnt, der andere gestaucht wird, so daß die Widerstandsänderungen der beiden Halbleiterwiderstände unter dem Einfluß der zu messenden Kraft in entgegengesetztem Sinn verlaufen. Dabei werden die ohmschen Widerstandswerte der beiden Halbleiterwiderstände für den unbeaufschlagten Zustand des Biegebalkens mit derartig unterschiedlichen Anfangs-Widerstandswerten gewählt, daß sich für das Integral der Differenz der Beträge der Widerstandsänderungen ein Minimum ergibt Dabei können auch die Halbleiterwiderstände jeden Paares derart in unterschiedlichen Abständen von der neutralen Faser des Biegebalkens angeordnet sein, daß sich hieraus eine weitere Verminderung des Minimums ergibt Darüber hinaus treten aber weitere Linearitätsfehler (nach VDI-VDE 2600 Blatt 4) im Betrieb des Biegebalken-Kraftmeßwandlers auch durch die bei der Balkenbiegung eintretende Verkürzung des Hebelarms auf.

Bekannt ist auch schon ein Biegebalken-Kraftmeßwandler (DE-OS 20 36 901), bei dem innerhalb der Paare von Halbleiterwiderständen, die als Dehnungsmeßwiderstände dienen, die Anfangs-Widerstandswerte untereinander gleich sind. Grundsätzlich werden auch hier Linearitätsfehler bis zu einem gewissen Grad kompensiert, weil auch hier bei Durchbiegung des Balkens die Widerstandsänderungen mit entgegengesetztem Vorzeichen erfolgen. Die Praxis zeigt aber, daß zusätzlich nicht unbeträchtliche Linearitätsfehler durch die Durchsenkung des von den zu messenden Kräften beaufschlagten Biegebalkens hervorgerufen sind. Für kleine zu messende Kräfte muß die Höhe des Biegebalkens in Richtung der Beaufschlagung zum Erzielen einer auswertbar großen Widerstandsändeg gering sein. Dies hat nun wieder in Abhängigkeit von der zu messenden Kraft und der gewünschten Dehnung bzw. Stauchung der Biegebalkenoberfläche zur Folge, daß die Durchsenkuiig des Biegebalkens am Kraftangriffspunkt und der dadurch bedingte linearitätsfehler beträchtlich wird. Diese zusätzliche Nichtlinearität kann bis zu einigen Promille betragen. Sie ist somit für den Geberbau in der Präzisionsmeßtechnik und insbesondere im Waagenbau zu groß.

ίο Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei Biegebalken-Kraftmeßwandlern den durch die Hebelarmverkürzung bei der Durchbiegung des Balkens hervorgerufenen Linearitätsfehler zu vermindern. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch gekenn-

•5 zeichnet

Man macht also den Unterschiedsbetrag der Anfangs-Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände nun so groß, daß der Unterschiedsbetrag die unterschiedliche Auswirkung der Hebelarmverkürzungen bei Durchbiegung des Balkens durch die zu messende Kraft ausgleicht Eine derartige Vergrößerung des Unterschiedsbetrages der Anfangs-Widerstandswerte ist praktisch leicht durchführbar. Die Dimensionierung des Unterschiedsbetrages wird dem jeweils verwendeten

-5 Biegebalken entsprechend so vorgenommen, daß die sich aufgrund der unterschiedlichen Widei Standsänderungen dec sich in ihren Anfangs-Widerstandswerten unterscheidenden Dehnungsmeßwiderstände im Gleichgewicht steht zu den durch die Hebelarmverkür-

^o zung bedingten unterschiedlichen Widerstandsänderungen bei der Durchbiegung des Balkens. Damit wird zusätzlich zu den oben abgehandelten Linearitätsfehlern auch der durch die Hebelarmverkürzungen bedingte Linearitätsfehler des von der Brücke abgegebenen Meßsignals kompensiert und damit der Linearitätsfehler insgesamt noch weiter minimiert

Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht Es zeigt
F i g. 1 an einem Beispiel den Einfluß der Höhe des Biegebalkens auf den Linearitätsfehler der Ausgangsspannung einer Vollbrückenanordnung bei alleiniger Berücksichtigung des Einflusses der Balkenbiegung bei konstanter Dehnung,
F i g. 2 eine Brückenschaltung,

F i g. 3 eine grafische Darstellung des Linearitätsverhaltens der Brückenausgangsspannung der Brückenschaltung nach Fig.2 bei unterschiedlich gedehnten oder gestauchten Brückenwiderständen.
F i g. 4a und 4b Ausführungsformen von Biegebalken mit Halbleiterwiderständen bei einseitiger bzw. zweiseitiger Diffusion,

Fig.5a und 5b eine grafische Darstellung des nichtlinearen Dehnungs- und Stauchungsverhaltens von Halbleiterwiderständen aufgrund des Piezowider-Standseffekts beim Longitudinal- und Transversaleffekt bzw. beim Longitudinaleffekt, und

F i g. 6 an einem Beispiel den Verlauf der Linearitätsfehler bei der Vollbrückenanordnung mit und ohne Einfluß des Biegebalkens in Abhängigkeit vom Anfangswert-Widerstand der gestauchten Widerstände.

F i g. 1 zeigt an einem Beispiel den Linearitätsfehler der Ausgangsspannung einer Vollbrückenanordnung bei der Balkenbiegung. Die durch den Linearitätsfehler bedingte Abweichung vom linearen Verlauf der

^b> Kennlinie, also die Nichtlinearität ist in Abhängigkeit von der Höhe des Biegebalkens dargestellt Man erkennt, daß mit abnehmender Balkenhöhe durch die bei konstanter Dehnung zunehmende Durchsenkung

und damit verbundene Hebelannverkürzung selbst bei hier linear angenommenen Widerstandsänderungen für Präzisionsmeßzwecke beachtliche Linearitätsfehler entstehen können.

F i g. 2 zeigt eine Wheatstone'sche Brückenschaltung. Widerstände R_t und A₃ sollen z. B. durch die Einwirkung der zu messenden Kraft vergrößert (Pluszeichen), Widerstände R₂ und R₄ verkleinert werden (Minuszeichen). Die Brückenausgangsspannung Ua ist dann eine lineare Funktion der Kraft K, wenn bei Konstantspannungsspeisung die positiven und negativen Änderungen dem Betrage nach gleich sind. Es ergibt sich dann die in Fig.3 dargestellte Gerade. Ist die positive Änderung von Ri bzw. R₃ größer als die negative von R₂ und R*, so ergibt sich die Ober der idealen Geraden liegende strichpunktierte Kurve c Umgekehrt ergibt sich eine unter der Geraden liegende gestrichelte Kurve b, wenn die negative Änderung von R₂ und R₄ größer ist als die positive von R\ und R₃. Man kann somit dui-ch stärkere Hervorhebung der positiv bzw. negativ sich ändernden Widerstände die Linearität der Ausgangsspannung beeinflussen.

Das soll im folgenden für Halbleitergeber in IC-Bauweise mit einseitiger Diffusion bzw. zweiseitiger Diffusion und den Fall der MetalkJehnungsmeßstreifen beschrieben werden. Während im Falle der ein- und zweiseitigen Diffusion sowohl der Piezowiderstandseffekt als auch der Einfluß des Biegebalkens berücksichtigt werden muß, kann bei Metalldehnungsmeßstreifen der Einfluß des Piezowiderstandseffektes auf die Linearität vernachlässigt werden, so daß in diesem speziellen Fall lediglich der in F i g. 1 dargestellte Einfluß der Balkenbiegung zu berücksichtigen ist

Fig.4a zeigt den Fall der einseitigen Diffusion, F i g. 4b den Fall der zweiseitigen Diffusion. In ein auf einer Unterlage 1 geeignet befestigtes Halbleitersubstrat 2 sind die Halbleiterwiderstände R\, R₂, R₃ und R₄ eindiffundiert Das Halbleitersubstrat 2 wird an der dem Einspannende gegenüberliegenden Seite auf nicht näher spezifizierte Weise mit einer zu messenden Kraft K beaufschlagt In der Anordnung gemäß F i g. 4a wird der in der DE-OS 20 36 901 beschriebene Longitudinal- und Transversaleffekt ausgenutzt, der vorzugsweise dann günstige Ergebnisse liefert, wenn für die Kraftund die Widerstandsorientierung die angegebenen (HO)- und (HO)-Richtungen eingehalten werden. In der Anordnung gemäß Fi jg. 4b wird nur der Longitudinaleffekt ausgenutzt und und das geforderte entgegengesetzte Vorzeichen der Widerstandsänderungen R\ und R₃ bzw. A₂ und R₄ durch Dehnung: der Widerstände R\ und R₃ bzw. Stauchung der Widerstände R₂ und R₄ erzeugt

Bei der Anordnung gemäß F i g. 4a werden bezüglich der Widerstandsänderung zwei verschiedene physikalische Effekte ausgenutzt:

F i g. 5a stellt die zugehörigen relativen Widerstandsänderungen bei Dehnung (+ε)oder Stauchung (-ε)des Halbleiterbiegebalkens durch die Kraft K dar, die auf zwei verschiedenen Kurven e und ^f verlaufen. Betrachtet man hier z. B. den Fall der gemeinsamen Dehnung aller Widerstände, so gelten die Kurven in der rechten Halbebene. Die Änderungen von R₂ und R₄ verlaufen auf der gestrichelten Kurve f, die von Ri und A₃ auf der durchgezogenen Kurve e. Für Linearität müßte nach den vorherigen Darlegungen die positive Widerstandsänderung dein Betrage nach gleich der negativen sein. Dies ist jedoch durch den unterschiedlichen Kurvenverlauf augenscheinlich nicht möglich, da die Kurve /der Widerstandsänderungen Ri und R* in der betrachteten rechten Halbebene stärker gekrümmt ist als die der Verlauf der Änderungen von R\ und R₃ gemäß Kurve e. Ohne BerücksichtiguBg der Balkenbiegung würde man nun entsprechend der DE-OS 21 41 292 die Änderung von R₂ und R₄ gemäß Kurve / durch eine Vergrößerung der Anfangswiderstände bzw. einer Verrringerung der Abstände d, <f der Widerstände R₂, R₄ vom Einspannende stärker hervorheben. Durch die größeren Anfangswiderstände werden nämlich auch

!0 die Änderungen größer, so daß sich im Mittel die nach der Linearitätsbedingung geforderte Betragsgleichheit der Widerstandsänderungen verbessern läßt Gleiches gilt für die Verringerung des Abstandes vom Einspannende, die nach den Gesetzen der Mechanik mit einer

ig entsprechenden Zunahme der Dehnung gekoppelt ist Die vorher wegen der geringeren Widerstandsänderungen von R₂ und R₄ nach den bisherigen Darlegungen entsprechende Kurve c (Fig.3) über der idealen Geraden verlaufende Ausgangsspannung der Brücke würde sich durch die Maßnahmen, auf die oben hingewiesen wurde, für einen Biegebalken mit relativ großer Höhe h, wegen der dort zu vernachlässigenden Balkenbiegungsnichtlinearität, weitgehend an die ideale Gerade anpassen lassen, so daß der Durchhang der ursprünglich oberhalb der Geraden Hegenden Kurve im Sinne einer Linearitätsverbesserung kleiner wird. Ist jedoch im Falle eines Biegebalkens mit geringer Höhe h nach F i g. 1 der dadurch entstehende Linearitätsfehler zusätzlich zu berücksichtigen, so genügt die bisherige

jo Maßnahme nicht, die lediglich den Einfluß des Piezowiderstandseffektes berücksichtigt Es bleibt vielmehr der in F i g. 1 dargestellte Linearitätsfehler aufgrund der Balkenbiegung.
Das Vorzeichen des Linearitätsfehlers aufgrund der Balkenbiegung ist positiv, d.h. es ergibt sich eine Nichtlinearität entsprechend Kurve c (Fig.3); die Ausgangsspannung ist also größer als die durch die angestrebte ideale Gerade geforderte Spannung. Somit wirkt dieser Linearitätsfehler gerde in gleicher Richtung

AO wie der durch den parabelförmigen Verlauf der relativen Widerstandsänderungen der Halbleiterwiderstände Ru R₃ bei Dehnung hervorgerufene Linearitätsfehler. Zur Linearisierung auch des Biegebalkeneinflusses muß man also die Änderungen von A₂ und R₄ noch

r> weiter vergrößern, so daß auch beim Einfluß der Balkenbiegung die ideale Gerade weitgehend erreicht wird. Die eingangs erwähnte Forderung nach paarweise betragsgleicher Änderung der Widerstände gilt also nicht bei der Linearisierung auch des Biegebalkenein-

so flusses.

Der Verlauf der Parabeln der relativen Widerstandsänderung sowie die Brückenausgangsspannung als Funktion der Brückenwiderstände ist bekannt, ebenso läßt sich die Balkenbiegung mit den Gesetzen der Mechanik erfassen, so daß es rechnerisch oder experimentell möglich ist, die Abstände d, d' bzw. Anfangswerte der im vorliegenden Beispie* betrachteten Widerstände R₂ und R₄ für jede Dotierung, Balkenhöhe und Belastung zu ermitteln, bei denen der

no Einfluß der durch die Widerstandsänderungen und zugleich auch durch die der Balkenbiegung bedingten Linearitätsfehler zu einem Minimum wird.

Selbstverständlich lassen sich alle hier dargestellten Überlegungen auch auf den Fall übertragen, daß man

Hi die Anfangswiderstände und Abstände vom Einspannpunkt von R\ und R₃ variiert Die hier angebrachte Verkleinerung von Rt und R₃ muß über die sonstige Maßnahme bei alleinigen Piezoeffekt hinausgehen, so

daß der Einfluß des Piezowiderstandseffektes und der der Balkenbiegung gleichzeitig vermindert wird. Gleiches gilt für den Fall der Stauchung (linke Halbebene).

F i g. 4b zeigt den Fall der beiderseitigen Diffusion, für den sich das Verfahren anwenden läßt Da hier nur der ^r, Longitudinaleffekt ausgenutzt wird, ergibt sich z. B. für eine p-Diffusion der Halbleiterwiderstände der in F i g. 5b dargestellte Verlauf der Widerstandsänderungen, die nun auf der gleichen Kurve g, jedoch R\ und Rz im Gebiet der Dehnung und Ri, R* im Gebiet der Stauchung verlaufen. Hier werden die gestauchten Widerstände augenscheinlich geringer geändert, als die gedehnten, so daß sich eine nichtlineare Ausgangsspannung entsprechend F i g. 3 Kurve c über der idealer. Geraden ergibt, die wiederum durch den nichtlienaren η Einfluß der Balkenbiegung verstärkt wird.

Auch hier muß man also zur Linearisierung die Wirkung der gestauchten Widerstände R2, Ra z. B. durch Vergrößerung der Anfangswiderstände oder Verkleinerung der Abstände di vom Einspannende weiter anheben. Dieser Vorgang ist in F i g. 6 an einem Beispiel verdeutlicht Auf der Abszisse ist die prozentuale Erhöhung des Widerstandswertes der gestauchten Widerstände Ri, Rt, dargestellt Die Kurven 1 bzw. Λ geben die Nichtlinearität einer Vollbrückenanordnung 2^r> mit bzw. ohne Einfluß der Balkenbiegung (Balkenhöhe 0,25mm nach Fig. 1) in Abhängigkeit von dieser prozentualen Widerstandserhöhung an. Ohne Einfluß der Balkenbiegung beträgt der Linearitätsfehler alleine durch den Piezowiderstandseffekt im vorliegenden w Beispiel etwa l%o. Durch eine Vergrößerung der Anfangswiderstände von R2 und Rt läßt sich bei etwa 11,4% relativer Widerstandsänderung ein Minimum des Linearitätsfehlers erreichen (vgl. Kurve A). Durch die zusätzlich bei kleinen Balkenhöhen auftretenden Linearitätsfehler aufgrund der Balkenbiegung vergrößert sich die Anfangsnichtlinearität z. B. für eine Balkenhöhe von etwa 0,25 mm nach F i g. 1 um etwa 0,6%o, so daß ein Gesamtlinearitätsfehler von etwa l,6%o resultiert. Diesen kann man prinzipiell ebenfalls durch die oben « erläuterten Maßnahmen, nämlich einer Vergrößerung der im vorliegenden Beispiel gestauchten Widerstands verringern. Allerdings darf man hier nicht wie im Falle des reinen Linearitätsfehlers aufgrund des Piezowiderstandseffektes die Betragsgleichheit der Widerstandsänderungen anstreben, sondern muß darüber hinaus zur gleichzeitigen Kompensation des aufgrund der Hebelarmverkürzung am Biegebalken bedingten Linearitätsfehler die Beiträge der bei Kraftbeanspruchung negativen Widerstandsänderungen zusätzlich vergrößern. Man erhält dann ein Minimum des Linearitätsfehlers bei etwa 20,4% vergrößerten Anfangswiderständer der Widerstände Ä2 und Ra, wie das in F i g. 6 an Kurve zu erkennen ist.

Es soll noch kurz auf den Fall der Metall-Dehnungsmeßstreifen eingegangen werden. Dort ist die Ausgangsgröße einer geeignet verschalteten Brücke weger der geringen Eigennichtiinearität ohne Einfluß dei Balkenbiegung linear. Befestigt man jedoch zwe Metall-Dehnungsmeßstreifen auf einem als Trägei benutzten dünnen Biegebalken, so ergibt sich eir nichtlinearer Einfluß der Größe entsprechend F i g. 1 und ein Verlauf nach Kurve c (F i g. 3). Zur Kompensation dieses Linearitätsfehlers muß man dann nach der obigen Erläuterungen die Änderungen, die eine Widerstandsverkleinerung Rt, Ra hervorrufen, verstär ken, was z. B. durch Verwendung eines größerer Anfangswiderstandes der gestauchten Widerstände bzw. durch ein näher am Einspannende vorgenommenes Anbringen dieser Widerstände erreicht werden kann Selbstverständlich läßt sich die gleiche Wirkung auch aufgrund der positiven Widerstandsänderung von au! Dehnung beanspruchten Widerständen erzielen. Diese Maßnahme ist nur wegen der Balkenbiegung notwen dig, da die Eigennichtiinearität vernachlässigt werder kann. Die Verminderung des Linearitätsfehlers in dei Abhängigkeit der Widerstandsänderung von der zi messenden Kraft ist insbesondere im Waagenbau vor Bedeutung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Biegebalken-Kxaftmeßwandler mit mindestens zwei auf einem Biegebalken angeordneten und zu einer Brücke verschalteten Dehnungsmeßwiderständen, deren Widerstandsänderungen durch die den Balken beaufschlagenden und zu messenden Kräfte entgegengesetzte Vorzeichen haben, und bei dem die Dehnungsmeßwiderstände in unbeaufschlagtem Zustand des Biegebalkens derart unterschiedliche Anfangs-Widerstandswerte haben, daß die bei der Durchbiegung des Bakens im vorgesehenen Meßbereich bedingten LJnearitätsfehler zu einem Minimum gemacht werden, gekennzeichnet durch einen Unterschiedsbetrag der Anfangs-Widerstandswerte, der den durch die Hehelarmverkürzung bei der Durchbiegung des Balkens bedingten unterschiedlichen Widerstandsänderungen an den Dehnungsmeßwiderständen das Gleichgwicht hält und damit im vorgesehenen Meßbereich die durch die Hebelarmverkürzung bedingten LJnearitätsfehler des Meßsignals der Brücke zu einem Minimum macht