DE2711749C2

DE2711749C2 - Mechanisch-elektrischer Umformer

Info

Publication number: DE2711749C2
Application number: DE2711749A
Authority: DE
Inventors: Robert C. Oreland Pa. Whitehead jun.
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1985-10-10
Also published as: DE2711749A1; JPS52119971A; CA1078217A; US4141253A; GB1573934A

Description

das einen Elastizitätsmodul aufweist, der im wesentlichen demjenigen 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 defcrmiertbaren TvH des Trägers ist Ebenso weist der Träger an seinem anderen Ende einen verhältnismäßig massiven Endteil auf. Zwischen dem massiven Abstützteil und dem deformierbaren Ttiil des Trägers gibt es einen abrupten stufenförmigen Übergang, wodurch eine genaue Kante hinsichtlich des deformierbaren Teiles definiert wird.

Der massive Endteil des Trägers erleichtert die Herstellung einer Antriebsverbindung mit der auslenkbaren Membran. Spannungen treten somit nur in dem deformierten Teil des Träger auf, wodurch einheitliche und reproduzierbare Verhältnisse geschaffen werden.

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

F i g. 1 bis 3 drei verschiedene Ansichten eines die Piezowiderstandselemente tragenden Trägers aus Halbleitermaterial;

F i g. 4 bis 6 drei verschiedene Ansichten eines modifizierten Trägers;

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

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

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

F i g. 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 Fig.4 bis 6 in einer Draufsicht und in einem Schnitt und

F i g. 15 die Anordnung der Piezowiderstandselemente in einem elektrischen Schaltkreis.

Gemäß den F i g. 1 bis 3 ist ein verbesserter Halbleiterträger dargestellt. Der Träger 1 wird aus einem einzelnen Halbleiterblock, wie beispielsweise einem Siliziumkristall, hergestellt und weist 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 ein abrupter stufenförmiger Übergang 4 gebildet wird. Hierdurch wird 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 R\, R2, A3, R^, Rs und R₆ bezeichnet. Die Widerstände R\ bis R$ bestehen typischerweise aus einem Halbleitermaterial, das gegenüber dem Trägermaterial eine entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, wobei sie durch Oberflächenndiffusion geeigneter Diffundierungselemente gebildet werden. Die Piezowider-Standselemente, 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 A₃ und Rt erstrecken sich in Richtung des Trägers und sind nahe beieinander auf entgegengesetzten Seiten einer Linie angeordnet, die durch die Mitte des Trägers verläuft Die Widerstände Rj und i?2 sind auf der Oberfläche des Trägers auf der gleichen Seite wie der Widerstand i?3 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 Rs sind bezogen auf die erwähnte Mittellinie spiegelbildlich zu den Widerständen i?i und R2 angeordnet.

Gemäß F i g. 15 ist ersichtlich, daß die Widerstände Ri

bis R₆ in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 5 angeordnet sind. Die Widerstände R₃ und Ra sind die (einzigen, eine Deformierung erfassende Widerstände und sind dementsprechend in gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet Die Widerstände Rt und Rf, in den beiden anderen Zweigen der Brücke sind belanglos. Die Widerstände R2 und Rs liegen zu den Widerständen R\ und Rt in Reihe und werden für Zwecke der Temperaturkompensation benutzt Die Art und Weise der Anordnung und Bildung der Widerstände Ri bis R₆ auf der Oberfläche des Trägers sowie ihre relative gegenseitige Lage und die Art ihrer Schaltung sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung und sollen daher auch nicht weiter beschrieben werden.

Gemäß den F i g. 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 F i g. 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 F i g. 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 S zusammengeklebt sind, um die Druckdose zu bilden. Eine Zuführung 11 ist in der Abstützplatte 9 vorgesehen, um die Unterfläche der Membran 7 mit dem zu messenden Druck zu beaufschlagen. Die Membran 7, der Trennring 8 und die Ab-. stützplatte 9 bestehen hierbei aus Glas, Quarz oder SiIizium bzw. aus einer Kombination dieser Materialien. Bei den Klebeverbindungen handelt es sich um eutektische Klebeverbindungen aus Gold oder um elektrostatische Klebeverbindungen. Die Verfahren zum Hersteljen dieser Klebeverbindungen gehören zum Stand der Technik und werden daher in diesem Zusammenhäng nicht näher beschrieben.

Ein Träger 10 in Form eines Halbleiterplättchens ist mit einem Ende auf einem verstärkten Rand der Mem-

bran 7 befestigt und mit seinem anderen Ende auf dem auslenkbaren Teil der Membran 7 in deren Zentrum abgestützt Beide Enden des Trägers iO können mit der Membran 7 durch Klebeverbindungen verbunden sein. Widerstände Ri bis A₆ sind in die Oberfläche des deformierbaren Teils des Trägers 10 eindiffundiert, wobei dies jedoch in den F i g. 7 und 8 nicht näher dargestellt ist

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

Im Betrieb wird die Dosierkammer 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 ein·? 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

In den Fig.9 und 10 ist ein modifizierter Druckumformer gestellt bei dem der Träger 1 die in den F i g. 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 12 verbunden und das bewegliche Ende des Trägers wird ebenfalls mittels einer Klebeverbindung mit dem zentralen auslenkbaren Teil der Membran 12 verbunden. Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung entspricht im wesentlichen derjenigen gemäß den F i g. 7 und 8 mit einer Ausnahme, daß nunmehr der deformierbare Teil 3 an der durch die Stufe 4 genau definierten Kante abgebogen wird.

F i g. 11 zeigt einen teilweisen Schnitt durch einen modifizierten Druckumformer gemäß den Fig.9 und 10, wobei ein Glasdraht 16 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 F i g. 9 und 10, wobei eine Feder 18 zwischen dem beweglichen Ende des Trägers 1 und dem Zentrum der Membran 17' angeordnet ist und wobei die Verbindungen in der erwähnten Weise als eutektische Klebeverbindung in Gold oder als elektrostatische Klebeverbindung hergestellt werden.

Die F i g. 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.

Die Membran 19 ist an ihrem Rand durch einen Trennring 20 und eine Abstützplatte 21 unterstützt, wobei die Absatzplatte 21 eine Zuführung 22 aufweist. Zwischen dem massiven Endteil 6 und dem Zentrum der Membran 119 kann ebenfalls eine Verbindung durch einen Draht oder durch eine Feder in der erwähten Weise hergestellt werden.

Hinsichtliich Fig. 15 ist zu vermerken, daß der elektrische Schaltkreis 23 mit der Wheatstone'schen Brücke 5 zusammenarbeitet und das Ausgangssignal der Brükkenschaltung 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

Wheatstone'sche Brückenschaltung 5 und der zugeordnete Schaltkreis 23 gemäß F i g. 15 können in der Weise ausgebildet sein, wie dies in der US-PS 36 54 545 dargestellt und beschrieben ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 statische Klebeverbindung zwischen diesen Teilen Patentansprüche: vorgesehen ist

1. Mechanisch-elektrischer Umformer mit einer

Membran, einem einseitig eingespannten und eindif- 5

fundierte Dehnungsmeßwiderstände aufweisenden . . .

Träger aus Halbleitermaterial und mit einer Einrich- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen me-

tung, um den auslenkbaren Teil der Membran mit chanisch-elektrischen Druckwandler nach dem Gatdem freien Ende des Trägers zu verbinden, ge- tungsberiff des Patentanspruches 1. kennzeichnet durch die Kombination fol- io Ein Druckwandler der gattungsgemäßen Art ist begender Merkmale: reits aus der US-PS 37 80 588 bekannt Dieser bekannte

Druckwandler weist eine den Druck in eine Bewegung

a) die Membran (7; 12; 17; 19) weist an ihrem umsetzende Federbalgmembran sowie einen einseitig Rand eine an sich bekannte ortsfeste, ringförmi- eingespannten und eindiffundierte Dehnungsmeßwiderge Abstützung (8,9; 13,14; 20,21) auf; 15 stände aufweisenden Träger aus Halbleitermaterial auf.

b) der Dehnungsmeßwiderstandsträger (1; 10) Zwischen diesem Träger und dem auslenkbaren Teil der stützt sich auf dem ortsfesten Rand der Mem- Federbalgmembran besteht eine Antriebsverbindung, bran (7; 12; 17; 19) ab; und Da die Federbalgirembran insgesamt durch den Druck

c) der Dehnungsmeßwiderstandsträger (1; 10), die sowohl in ihrem Randbereich als auch in ihrem zentra-Membran (8; 12; 17; 19) und die Verbindungs- 20 len Bereich verschiebbar ist, muß der die Dehnungseinrichtung (6,16,18) bestehen aus einem Mate- meßwiderstände tragende Träger separat ortsfest einrial, welches einen gleichen Elastizitätsmodul gespannt werden. Hieraus resultiert ein recht aufwendiaufweist g^er Aufbau. Weiterhin ist der bekannte Druckwandler

mit einer gewissen Hysterese behaftet, die sich aus den

•

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 unterschiedlichen Materialien ergibt, aus denen die Fezeichnet, daß die ortsfeste Abstützung der Membran derbalgmembran (Stahl) und der Dehnungsmeßwider-(7; 12; 19) einen Trennring (8; 13; 20) und eine Ab- standsträger (Silizium) bestehen, stützplatte (9; 14; 21) aufweist, die beide mit dem Ein in dieser Hinsicht bereits vorteilhafterer Druck-Rand der Membran (7; 12; 19) verklebt sind und eine wandler ist aus der US-PS 37 12 143 bekannt. Dieser Dose bilden, in die ein Fluid über einen Anschluß 30 besteht aus einer Siliziumdose, deren Boden die aus-(11; 15; 22) eingeführt wird, wobei der Elastizitäts- lenkbare Membran bildet, in welche die Dehnungsmeßmo'dui des Trennringes und der Abstützplatte an widerstände eindiffundiert sind. Als nachteilig hat sich denjenigen der Membran und des Trägers angepaßt bei diesem bekannten Druckwandler herausgestellt, daß _ist hochreines Silizium für die Druckdose verwendet wer-

3. Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 35 den muß. Bei geringen Drücken muß die Membran eizeichnet daß der Dehnungsmeßwiderstandsträger nen relativ großen Durchmesser aufweisen. Anderer-(1) einen Befestigungsteil (2) aufweist, der in be- seits ist man hinsichtlich der Dicke und Flexibilität der zug auf einen deformierbaren Teil (3) relativ mas- Membran einerseits und bezüglich der erzielbaren siv ist, und der Übergang zwischen Befestigungs- Reinheit des Siliziums auf Kompromisse angewiesen, teil (2) und deformierbarem Teil (3) stufenförmig 40 Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eiausgebildet ist nen mechanisch-elektrischen Druckwandler der ein-

4. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gangs genannten Art so auszugestalten, daß er eine verzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung zwischen nachlässigbare Hysterese bei verhältnismäßig einfader Membran (19) und dem Träger (1) durch einen chem Aufbau aufweist.

relativ massiven Endteil (6) des Trägers (1) gebildet 45 Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kenn-

wird, der sich auf der Membran abstützt. zeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

¹I

5. Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs-

durch einen Glasdraht (16) als Verbindungseinrich- gemäßen Druckwandlers sind den Unteransprüchen

;. tung. entnehmbar.

6. Umformer nach Anspruch 1, gekennzeich- 50 Der Vorteil des erfindungsgemäßen Druckwandlers net durch eine Feder (18) als Verbindungseinrich- ist darin zu sehen, daß bei einem einfachen Aufbau nur

_tung die Trägerplatte mit den eindiffundierten Dehnungs-

7. Umformer nach Anspruch 2, gekennzeichnet meßwiderständen aus reinem Silizium bestehen muß, durch eine Klebeverbindung als Befestigungsmittel während alle anderen Teile, wie die Druckmeßdose und für den Träger (1; 10) auf dem Trennring (8; 13; 20) 55 die sie mit dem Träger der Dehnungsmeßwiderstände und eine weitere Klebeverbindung zwischen dem verbindenden Teile, zwar auch aus einem Material be-Träger und dem Membranzentrum. stehen, dessen Elastizitätsmodul an den des reinen SiIi-

8. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- ziums angeglichen ist, das aber keineswegs die bezügzeichnet, daß die Membran aus Glas, Quarz, Silizium lieh des Trägers geforderte Reinheit aufweisen. Auf die- oder aus einer Kombination dieser Elemente und 60 se Weise erhält man eine einfache, billige und hystereseder Träger (1, 10) aus Silizium-Halbleitermaterial freie Druckwandlereinrichtung.

besteht. Der Druckumformer gemäß der vorliegenden Erfin-

9. Umformer nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge- dung verwendet einen verbiegbaren Träger aus Halbleikennzeichnet, daß die Membran (7; 12; 19), der termaterial, der von einer Membran verbogen wird und Trennring (8; 13; 20) und die Abstützplatte (9; 14; 21) 65 der in seiner Oberfläche eindiffundierte Piezowideraus Glas, Quarz, Silizium oder aus einer Kombina- Standselemente aufweist. Die Membran besteht yortion dieser Elemente bestehen und daß eine eutekti- zugsweise aus Glas, Quarz, Silizium oder aus einer sehe Klebeverbindung aus Gold oder eine elektro- Kombination dieser Elemente, d. h. aus einem Material,