DE2711749A1

DE2711749A1 - Mechanisch-elektrischer umformer

Info

Publication number: DE2711749A1
Application number: DE19772711749
Authority: DE
Inventors: Jun Robert C Whitehead
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1977-10-06
Also published as: US4141253A; GB1573934A; JPS52119971A; DE2711749C2; CA1078217A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einenmechanischelektrischen Umformer nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere auf eine Einrichtung zur Gewinnung einer elektrischen Größe, die dem Druck eines Fluids proportional ist. Solche Umformer finden Anwendung beispielsweise als Differenzdruckumformer sowie als Druckgeber in industriellen Prozessen, bei denen ein Durchfluß, ein Füllstandspegel oder der Druck eines Mediums zu messen ist.

Derartige Umformer sind beispielsweise durch die US-Patentschriften 3 712 143 und 3 780 588 bekannt geworden. Der Druckgeber gemäß der US-PS 3 712 143 ist vom sogenannten Dosentyp, bei dem Piezowiderstandselemente in die Oberfläche einer Siliziummembran eindiffunidert sind. Die Siliziummembran bildet eine nachgiebige Abdeckung der Dose. Die Peizowiderstandselemente bilden Bestandteile eines elektrischen Brückenschaltkreises, der ein elektrisches Signal erzeugt, das sich entsprechend der Größe des Differenzdruckes oder des Prozeßdruckes/dem die Siliziummembran ausgesetzt ist, ändert. Wahn die Membran verhältnismäßig groß sein muß, was in den Fällen erforderlich ist, wo niedrige Drücke zu messen sind, so ergeben sich beachtliche Herstellungskosten für diesen bekannten Umformer.

Der Druckumformer gemäß der US-PS 3 780 588 weist demgegenüber eine andere Struktur auf. Bei dieser bekannten Ausführung sind die Piezowiderstandselemente in die Oberfläche eines SiIizum-: trägers eindiffundiert, wobei ein Ende des Trägers fest eingespannt ist. Das andere Ende des Trägers ist mit den Bewegungen einer Balgmembran gekoppelt, die dem Differenzdruck oder dem Prozeßdruck ausgesetzt ist. Während es bei dieser bekannten Anordnung nicht erforderlich ist, die Widerstandselemente in den Druckfühler selbst einzudiffundieren, weist diese bekannte Anordnung jedoch einen unerwünschten Hystereseeffekt auf.

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Ähnliche Druck unit urine r iiind dureli die UiJ- PaLxuiLsehr i ί L-. η 3 559 488 und 3 89 4 435 bekanntgeworden. Auch bei dienen bekannten Umformern weist ein verbiegbarer Träger Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen auf, die jedoch in den Träger nicht eindiffundiert sind. Auch bei diesen bekannten Anordnungen tritt ein unerwünschter Hystereseeffekt auf.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mechanisch-elektrischen Umformer der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die unerwünschten Hystereseeffekte nicht oder nur in geringem Maße auftreten. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der Druckumformer gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet einen verbiegbaren Träger aus Halbleitermaterial, der von einer Membran verbogen wird und der in seiner Oberfläche eindiffundierte Piezowiderstandselemente aufweist. Die Membran besteht vorzugsweise aus Glas, Quarz, Silizium oder aus einer Kombination dieser Elemente, d.h. aus einem Material, das eine innere Viskosität aufweist, die im wesentlichen derjenigen des Halbleiterträgers entspricht. Hierdurch erfolgt eine wesentliche Reduzierung des Hystereseeffektes, der sonst durch die Kombination-Träger-Membran gegeben ist. Der Träger kann verhältnismäßig klein sein im Vergleich zu der Größe der Membran, mit der er zusammenwirkt, so daß aus einem einzigen Halbleiterplättchen mehrere Träger gewonnen werden können. Der Träger weist ferner einen Befestigungsteil auf, der verhältnismäßig massiv in Bezug auf den deformierbaren Teil des Trägers ist. Ebenso weist der Träger an seinem anderen Ende einen verhältnismäßig massiven Endteil auf. Zwischen dem massiven Abstützteil und dem deformierbaren Teil des Trägers gibt es einen abrupten stufenförmigen Übergang, wodurch eine genaue Kante hinsichtlich des deforraierbaren Teiles definiert wird.

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ORIGINAL INSPECTED

Der massive·; Endteil dos Trägers erleichert die Herstellung einer Antriebsverbindung nut der aus lenkbaren Membran. Spannungen treten somit nur in dem deforjnierbaren Teil des Trägers auf, wodurch einheitliche und reproduzierbare Verhältnisse geschaffen werden.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei die Erfindung im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Ansichten eines die Piezowiderstandselemente tragenden Trägers aus Halbleitermaterial;

Fig. 4 bis 6 drei verschiedene Ansichten eines modifizierten Trägers;

Fig. 7 und 8 einen Druckumformer vom Membrantyp mit einem Träger in Form eines flachen Halbleiterplättchens in einer Draufsicht und in einem Schnitt;

Fig. 9 und 10 zwei Ansichten eines ähnlichen Druckumformers mit einem Träger, wie er in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist;

Fig. 11 einen teilweisen Schnitt durch einen Druckumformer, bei dem ein Glasdraht das bewegliche freie Ende des Trägers gemäß den Fig. 1 bis 3 mit einer zugeordneten Membran verbindet;

Fig. 12 einen ähnlichen teilweisen Schnitt, wobei eine Feder die erwähnte Verbindung herstellt;

Fig. 13 und 14 einen Druckumformer vom Membrantyp mit einem Träger gemäß den Figuren 4 bis 6 in einer Draufsicht und in einem Schnitt und

Fig. 15 die Anordnung der Piezowiderstandselemente in einem elektrischen Schaltkreis.

Gemäß den Fig. 1 bis 3-.ist ein verbesserter Halbleiterträger dar-·- gestellt. Der Träger 1 wird aus einem einzelnen Halbleiterblock, wie besipielsweise einem Siliziumkristall, hergestellt und weist

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somit einen einheitlichen Aufbau auf. Der Träger weist einen verhältnismäßig dicken und massiven Befestigungsteil 2 und einen relativ dünnen leicht verformbaren dehnungsempfindlichen Teil 3 mit geringer Masse auf. Der Träger ist so zugeschliffen, daß beim übergang vom Befestigungsteil 2 zu dem flexiblen Teil 3

wird ein abrupter stufenförmiger übergang 4 gebildet wird. Hierdurch eine wünschenswerte und notwendigerweise präzise Kante für den dehnbaren Teil 3 gebildet. Der Einfluß von Temperaturänderungen,

denen der Träger ausgesetzt ist, wird durch den vorliegenden Aufbau auf ein Minimum reduziert.

Gemäß Fig. 1 sind Piezowiderstandselemente in die Oberfläche des Trägerteils 3 in der Nähe der Kante 4 eindiffundiert. Die auf diese Weise gebildeten Widerstände sind mit R₁, R», R,,, R., R₁. und R_fi bezeichnet. Die Widerstände R₁ bis R_fi bestehen typischerweise aus einem Halbleitermaterial, das gegenüber dem Trägermaterial eine entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, wobei sie durch Oberflächendiffusion geeigneter Diffundierungselemente gebildet werden. Die Piezowiderstandselemente, die auf diese Weise gebildet werden, sind von dem übrigen Träger durch p-n-übergänge isoliert. Gewünschtenfalls können andere Verfahren verwendet werden, um die Piezowiderstandselemente auf der Oberfläche des Trägers zu bilden.

Die Widerstände R₃ und R₄ erstrecken sich in Richtung des Trägers und sind nahe beeinander auf entgegengesetzten Seiten einer Linie angeordnet, die durch die Mitte des Trägers verläuft. Die Widerstände R₁ und R„ sind auf der Oberfläche des Trägers auf der gleichen Seite wie der Widerstand R₃ angeordnet. Diese Widerstände erstrecken sich in Richtungen, die nicht parallel zu der Mittellinie verlaufen, sondern diese im Bereich des Trägers schneiden. Die Widerstände R₅ und R_g sind bezogen auf die erwähnte Mittellinie spiegelbildlich zu den Widerständen R₁ und R, angeordnet.

Gemäß Fig. 15 ist ersichtlich, daß die Widerstände R₁ bis R_g in einer Wheatsone'sehen Brückenschaltung 5 angeordnet sind. Die

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— R —

Widerstände R, und R. sind die einzigen, eine Deformierung erfassende Widerstände und sind dementsprechend in gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet. Die Widerstände R₁ und R, in den beiden anderen Zweigen der Brücke sind belanglos. Die

Widerstände R_ und R_n liegen zu den Widerständen R. und R, in 2 5 Ib

Reihe und werden für Zwecke der Temperaturkompensation benutzt. Die Art und Weise der Anordnung und Bildung der Widerstände R₁

bis R, auf der Oberfläche des Trägers sowie ihre relative gegenb

seitige Lage und die Art ihrer Schaltung sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung und sollen daher auch nicht weiter beschrieben werden.

Gemäß den Fig. 4 bis 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Trägers 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Träger so geschliffen, daß er einen relativ dicken und massiven Endteil 6 aus Halbleitermaterial am freien und beweglichen Ende des Trägers aufweist, wobei die weitere Ausgestaltung des Trägers mit derjenigen in den Figuren 1 bis 3 übereinstimmt. Der massive Endteil 6 erleichtert die Befestigung mit der auslenkbaren, die Kraft erzeugenden Vorrichtung, ohne daß hierbei eine Konzentration der Deformation an einer Stelle oder eine uneinheitliche. Deformation in dem flexiblen Teil 3 des Trägers auftritt.

In den Figuren 7 und 8 ist ein Druckumformer gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Träger-Membrankombination aus Halbleitermaterial dargestellt. Bei dem dargestellten Druckumformer handelt es sich speziell um einen Differenzdruckfühler mit einer dosenförmigen Struktur, bei dem eine kreisförmige Membran 7, ein Trennring 8 und eine Abstützplatte 9 zusammengeklebt sind, um die Druckdose zu bilden. Eine Zuführung 11 ist in der Abstützplatte vorgesehen, um die Unterfläche der Membran 7 mit dem zu messenden Druck zu beaufschlagen. Die Membran 7, der Trennring 8 und die Abstützplatte 9 bestehen hierbei aus Glas, Quarz oder Silizium bzw. aus einer Kombination dieser Materialien. Bei den Klebeverbindungen handelt es sich um eutektische Klebeverbindungen aus

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Gold oder um elektrostatische Klebeverbindungen. Die Verfahren zum Herstellen dieser Klebeverbindungen gehören zum Stand der Technik und werden daher in diesem Zusammenhang nicht näher beschrieben.

Ein Träger 10 in Form eines Halbleiterplättchens ist mit einem Ende auf einem verstärkten Rand der Membran 7 befestigt und mit seinem anderen Ende auf dem auslenkbaren Teil der Membran 7 in deren Zentrum abgestützt. Beide Enden des Trägers 10 können mit der Membran 7 durch Klebeverbindungen verbunden sein. Widerstände R₁ bis R- sind in die Oberfläche des deformierbaren Teils des Trägers 10 eindiffunidert, wobei dies jedoch in den Fig. 7 und 8 nicht näher dargestellt ist.

Da die Membran 7, der Trennring 8 und die Abstützpiatee 9 aus den vorstehend genannten Materialien bestehen, besitzen diese eine innere Viskosität mit einem Wert, der demjenigen des Halbleiterträgers 10 entspricht oder sehr nahe kommt. Durch die erwähnten Klebeverbindungen wird diese einheitliche innere Viskosität hinsichtlich des gesamten Umformers kaum beeinflußt. Auf diese Weise wird die durch die Anordnung vorgegebene Hysterese auf ein Minimum reduziert.

Im Betrieb wird die Dosenkammer unterhalb der Membran 7 mit einem Fluid gefüllt, das auf die Unterfläche der Membran 7 einwirkt. über die Zuführöffnung 11 wird der zu messende Druck auf das erwähnte Fluid geführt und auf die Membranunterfläche übertragen. Dieser Druck ruft eine entsprechende Auslenkung des zentralen Teiles der Membran 7 hervor, wodurch eine entsprechende Auslenkung des beweglichen Endes des Trägers 10 erfolgt, was eine Beanspruchung des deformierbaren Teiles des Trägers 10 nach sich zieht. Die eindiffundierten Widerstände der Dehnungsmeßanordnung erfassen diese Deformation. Unter der Kraft der ausgelenkten Membran wird das mit ihr verbundene Ende des Trägers 10 um das befestigte Ende an der Peripherie der Membran 7 geschwenkt.

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In den Figuren 9 und 10 ist ein modifizierter Druckumformer dargestellt, bei dem der Träger 1 die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Form aufweist und auf einer Membran 12 montiert ist, die von einem Trennring 13 und einer Abstützplatte 14 mit einer Zuführöffnung 15 getragen wird. Bei dieser Ausführung wird der massive Befestigungsteil 2 des Trägers 1 durch eine Klebeverbindung mit dem flachen unterstützten Randteil der Membran verbunden und das bewegliche Ende des Trägers v/ird ebenfalls mittels einer Klebeverbindung mit dem zentralen aus lenkbaren Teil der Membran 12 verbunden. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht im wesentlichen derjenigen gemäß den Fig. und 8 mit einer Ausnahme, daß nunmehr der deformierbare Teil 3 an der durch die Stufe 4 genau definierten Kante abgebogen wird.

Fiq.11 zeigt einen teilweisen Schnitt durch einen modifizierten Druckumformer gemäß den Fig. 9 und 10, wobei ein Glasdraht zwischen dem beweglichen Ende des Trägers 1 und dem Zentrum der Membran 17 angeordnet ist. Der Draht 16 wird ebenfalls vorzugsweise durch eine eutektische Klebeverbindung in Gold oder durch eine elektrostatische Klebeverbindung mit dem Träger und der Membran verbunden.

Fig. 12 zeigt eine weitere Modifikation des Druckumformers gemäß den Fig. 9 und 10, wobei eine Feder 18 zwischen dem beweglichen Ende des Trägers 1 und dem Zentrum der Membran 17* angeordnet ist und v.'obei die Verbindungen oar erwähnten Weise als eutektische Klebeverbindung in Gold oder als elektrostatische Klebeverbindung hergestellt werden.

Die Fig. 13 und 14 zeigen eine weitere Modifikation eines im wesentlichen aus Träger und Membran bestehenden Druckumformers, wobei der Träger 1 die in den Fig. 4 bis 6 dargestellte Form aufweist. Bei dieser Modifikation ist der massive Befestigungsteil 2 des Trägers 1 mit dem unterstützen Rand der Membran 19 verklebt und der massive Endteil 6 des Trägers ist durch eine Klebeverbindung mit dem zentralen Teil der Membran 19 verbunden.

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Die Membran 19 ist an ihrem Rand durch einen Trennring 20 und eine Abstützplatte 21 unterstützt, wobei die Abstützplatte 21 eine Zuführöffnung 22 aufweist. Zwischen dem massiven Endteil 6 und dem Zentrum der Membran 19 kann ebenfalls eine Verbindung durch einen Draht oder durch eine Feder in der erwähnten Weise hergestellt werden.

Hinsichtlich Fig. 15 ist zu vermerken, daß der elektrische Schaltkreis 23 mit der Wheatsfone'sehen Brücke 5 zusammenarbeitet und das Ausgangssignal der Brückenschaltung in einen Gleichstrom umwandelt, dessen Größe von dem Druck des zugeführten Fluids abhängig ist und sich im Bereich von beispielsweise 4-20 mA bewegt, was für die übertragung zu einer entfernt angeordneten Empfangseinrichtung 24 ausreichend ist. Die Wheatstone¹sehe Brückenschaltung 5 und der zugeordnete elektrische Schaltkreis 23 gemäß Fig.15 können in der Weise ausgebildet sein, wie dies in der US-PS 3 654 545 dargestellt und beschrieben ist.

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Lee nre i t e

Claims

HONEYWELL INC. 17. März 1977

Honeywell Plaza Pat. 04-3919 Ge

Minneapolis, Minn., USA

Mechanisch-elektrischer Umformer

Patentansprüche:

Mechanisch-elektrischer Umformer mit einer Membran und einem sich auf dieser abstützenden einseitig eingespannten Träger aus Halbleitermaterial, der in einem deformierbaren Teil eine. eindiffundierte Dehnungsmeßanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7;12;17;19) aun einem Material besteht, dessen innere Viskosität an die dos Trägers (1;10) angepaßt ist.
2. Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abstützung (8,9;13,14;20,21) für die Membran (7;12;19) an deren Rand, erste Mittel, um den Träger (1;10) über der Abstützung ' (8;13;20) zu befestigen und zweite Mittel (16,18), um den Träger (1;10) mit dem auslenkbaren Teil der Membran in Antriebsverbindung zu bringen, wobei beide Mittel so gewählt sind, daß sie die einheitliche innere Viskosität von Membran und Träger nicht störend beeinflussen.
3. Umformer nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (7;12;19) kreisförmig, am Rand eingespannt und mit dem verbleibenden Teil aualenkbar ist, daß die Befestigungsmittel das eine Ende des Trägers (1;10) auf der Abstützung (8;13;20) am Rand der Membran befestigen und die Antriebsverbindungsmittel zwischen dem Träger und der Membran im Zentrum der Membran angreifen.

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4. Umformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung einen Trennring (8;13;2O) und eine Abstützplatte (9;14;21) aufweist, die beide mit dem Rand der Membran (7;12;19) verklebt sind und eine Dose bilden, in die ein Fluid über einen Anschluß (11;15;22) eingeführt wird, wobei der Trennring und die Abstützplatte eine innere Viskosität aufweisen, die derjenigen der Membran und des Trägers im wesentlichen entspricht.
5. Umformer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Silizium-llalbleitermaterial besteht.
6. Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) einen Befestigungsteil (2) aufweist, der in Bezug auf den deformierbaren Teil (3) relativ massiv ist, wobei der übergang zwischen Befestigungsteil (2) und deformierbarem Teil (3) stufenförmig ausgebildet ist, um eine Kante (4) genau zu definieren, um die die Bewegung des Trägers erfolgt. .
7. Umformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsverbindungsmittel zwischen Membran (19) und Träger (1) durch einen relativ massiven Endteil

(6) des Trägers (1) gebildet werden, der sich auf der Membran abstützt.
8. Umformer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Glasdraht (16) als Antriebsverbindungsmittel.
9. Umformer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Feder (18) als Antriebsverbindungsmittel.

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10. Umformer nach Anspruch 2, gekenn zei chnet durch eine Klebeverbindung als Befestigungsmittel für den Träger (1;10) auf der Abstützung (8;13;20) und eine weitere Klebeverbindung als Antriebsverbindung zwischen dem Träger und dem Membranzentrum.
11. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus Glas, Quarz, Silizium oder aus einer Kombination dieser Elemente besteht.
12. Umformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzei chnet, daß die Membran (7;12;19), der Trennring (8; 13;20) und die Abstützplatte (9;14;21) aus Glas, Quarz, Silizium oder aus einer Kombination dieser Elemente bestehen und daß eine eutektische Klebeverbindung aus Gold oder eine elektrostatische Klebeverbindung vorgesehen ist.
13. Umformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine eutektische Klebeverbindung aus Gold oder eine elektrostatische Klebeverbindung vorgesehen ist.

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