DE2755211A1

DE2755211A1 - Direct hydrostatic pressure measurement - uses semiconductor bridge circuit contg. semiconducting elements of opposite pressure dependency

Info

Publication number: DE2755211A1
Application number: DE19772755211
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Phys Germer
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1977-12-10
Filing date: 1977-12-10
Publication date: 1979-06-13

Abstract

An arrangement for direct measurement of hydrostatic press. uses a bride circuit contg. semiconductor element branches and producing an output voltage proportional to the press. Its temp. compensation is maintained even for rapid temp. variations. The semiconductor elements are subjected to the press. being measured and consist of material with equal temp. depending but opposite press. characteristics, i.e. intrinsically conducting InSb and Te. The two arms contg. Te elements also contain series compensation resistors.

Description

"Anordnung zur direkten Messung hydrostatischer DrUcke""Arrangement for direct measurement of hydrostatic pressures"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur direkten Messung hydrostatischer Drücke unter Verwendung einer Brücke schaltung, in deren Zweigen Halbleiter-Elemente angeordnet sind und aus deren Ausgangsspannung eine dem Druck proportionale elektrische Größe ableitbar ist.The invention relates to an arrangement for direct measurement hydrostatic pressures using a bridge circuit in whose branches Semiconductor elements are arranged and from their output voltage one to the pressure proportional electrical quantity can be derived.

Eine derartige Anordnung ist bekannt, so z.B. aus der US-PS 3 270 562. Dabei ist in zwei einander benachbarten Brückenzweigen je ein druckempfindliches Halbleiter-Element aufgenommen. Diese Halbleiter-Elemente befinden sich in zwei voneinander getrennten Kammern eines Gehäuses, deren eine dem zu messenden hydrostatischen Druck ausgesetzt ist, während die andere allseitig geschlossen ist, so daß ihr Inneres und damit auch der in ihr befindliche Halbleiter nicht von dem zu messenden Druck beeinflußt wird. Bekanntlich hängt der elektrische Widerstand derartiger Halbleiter-Elemente nicht nur in hier erwünschter Weise von dem auf sie ausgeübten Druck, sondern auch in unerwünschter Weise von der Temperatur ab. Aus diesem Grunde dient der nicht dem Druck unterworfene Halbleiter bei der bekannten Anordnung lediglich der Temperaturkompensation.Such an arrangement is known, for example from U.S. Patent 3,270 562. There is one pressure-sensitive in each of two adjacent branches of the bridge Semiconductor element added. These semiconductor elements are in two separate chambers of a housing, one of which is the hydrostatic to be measured Is exposed to pressure, while the other is closed on all sides, so that its interior and thus also the semiconductor in it not affected by the pressure to be measured being affected. It is known that the electrical resistance of such semiconductor elements depends not only in the manner desired here by the pressure exerted on them, but also undesirably depends on the temperature. the end for this reason the semiconductor, which is not subjected to pressure, only serves in the known arrangement the temperature compensation.

Diese bekannte Anordnung ist nicht nur sehr aufwendig, sondern sie hat darüber hinaus auch den Nachteil, daß sie eine große Wärmeträgheit aufweist, denn es dauert sehr lange, bis der zur Temperaturkompensation dienende Halbleiter, der ja nicht von dem Druckmedium berührt wird, die gleiche Temperatur angenommen hat wie der mit dem Druckmedium in ständiger Berührung stehende eigentliche Druckaufnehmer. Bei Messungen, bei denen mit häufigen Temperaturänderungen zu rechnen ist, treten daher Meßfehler auf.This known arrangement is not only very complex, but it also has the disadvantage that it has a high thermal inertia, because it takes a long time until the semiconductor used for temperature compensation, which is not touched by the printing medium, assumes the same temperature like the actual pressure transducer, which is in constant contact with the pressure medium. When taking measurements where frequent temperature changes are to be expected, step therefore measurement errors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Temperaturkompensation auch bei schnellen Temperaturänderungen aufrechterhalten bleibt.The object of the present invention is therefore to provide an arrangement of the To create the type mentioned at the beginning, their temperature compensation even with fast Temperature changes is maintained.

Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Halbleiter-Elemente dem zu messenden Druck ausgesetzt sind und daß sie aus Materialien bestehen, die zwar gleiche Temperaturabhängigkeit, jedoch entgegengesetzte Druckabhängigkeit aufweisen.This is done according to the invention in that the semiconductor elements are exposed to the pressure to be measured and that they are made of materials that although they have the same temperature dependency, they have opposite pressure dependencies.

Derartige Materialien, die vorzugsweise Verwendung finden können, sind z.B. InSb- und Te-Kristalle. Diese können entweder, wie bei der bekannten Anordnung, als Halbbrücke oder als Vollbrücke geschaltet sein.Such materials, which can preferably be used, are e.g. InSb and Te crystals. These can either, as with the known arrangement, be connected as a half bridge or as a full bridge.

Derartige Halbleiter-Materialien haben also die Eigenschaft, daß daraus hergestellte Drucksensoren entgegengesetztes Verhalten zeigen, d.h., während der eine unter Druckeinwirkung seinen Widerstand erhöht, erniedrigt sich der Widerstand des anderen. Dadurch bleibt der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung zweier solcher Sensoren stets gleich, sofern auch die Temperatur konstant bleibt. Hinsichtlich der Temperaturabhängigkeit zeigen jedoch beide Materialien die gleichen Eigenschaften, d.h., bei beiden nimmt die Empfindlichkeit gegenüber einer Druckänderung mit zunehmender Temperatur ab. Folglich verkleinert sich auch das Ausgangssignal der Brücke mit zunehmender Temperatur.Such semiconductor materials have the property that from it manufactured pressure sensors show opposite behavior, i.e. during the if it increases its resistance under the action of pressure, the resistance decreases of the other. This leaves the total resistance of the series connection of two such Sensors always the same, as long as the temperature also remains constant. Regarding the temperature dependence, however, both materials show the same properties, i.e., for both, the sensitivity to a change in pressure decreases with increasing Temperature. As a result, the output signal of the bridge is also reduced increasing temperature.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, diese Empfindlichkeitsabnahme dadurch zu kompensieren, daß die Speisespannung der Brücke entsprechend dieser Abnahme erhöht wird, so daß die Diagonalspannung der Brücke konstant bleibt.According to a further development of the invention, it is therefore proposed that to compensate for this decrease in sensitivity that the supply voltage of the Bridge is increased according to this decrease, so that the diagonal tension of the Bridge remains constant.

Dazu kann die Stromversorgungsschaltung für die Brücke mit einem Regelkreis versehen sein, der die Brückenspeisespannung in Abhängigkeit vom Briickenstrom nachführt.For this purpose, the power supply circuit for the bridge can be equipped with a control loop be provided, which tracks the bridge supply voltage as a function of the bridge current.

An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 eine an sich bekannte Brückenschaltung mit den vorgeschlagenen Halbleiter-Elementen, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Stromversorgung einer derartigen Meßbrücke, Fig. 3 die Abhängigkeit der Brückenausgangsspannung von dem Druck und der Temperatur im Bereich von 0 bis +500C, und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen Druckaufnehmer der erfindungsgemäßen Art.An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing described. 1 shows a known bridge circuit with the proposed semiconductor elements, Fig. 2 shows a circuit arrangement for power supply of such a measuring bridge, FIG. 3 shows the dependence of the bridge output voltage from the pressure and the temperature in the range from 0 to + 500C, and Fig. 4 shows an exemplary embodiment for a pressure transducer of the type according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine Brückenschaltung mit vier druckempfindlichen Halbleiter-Elementen 1, 2, 3 und 4. Dabei bestehen die in den Brückenzweigen 1 und 4 enthaltenen Sensoren aus InSb, dessen Widerstandswert mit zunehmendem Druck ansteigt. Die Brückenwiderstände 2 und 3 bestehen aus Te, dessen Widerstandswert mit zunehmendem Druck abnimmt. In Reihe zu den BrUckenwiderständen 2 und 3 sind noch Kompensationswiderstände 2' und 3' geschaltet, deren Widerstandswerte etwa 5 96 der Widerstandswerte der Elemente 2 und 3 betragen und die aus Metall, z.B. aus Nickel, bestehen. Aufgabe dieser Kompensationswiderstände 2' und 3' ist es, eine eventuell noch verbleibende Nullpunktsdrift der Brücke zu kompensieren.Fig. 1 shows a bridge circuit with four pressure-sensitive semiconductor elements 1, 2, 3 and 4. The sensors contained in bridge branches 1 and 4 exist made of InSb, the resistance of which increases with increasing pressure. The bridge resistances 2 and 3 are made of Te, the resistance of which decreases with increasing pressure. In Series to the bridge resistors 2 and 3 are also compensation resistors 2 'and 3 ', whose resistance values are approximately 5 96 the resistance values of the elements 2 and 3 and which are made of metal, e.g. nickel. Task of these compensation resistors 2 'and 3' are to allow any remaining zero point drift to the bridge compensate.

Da Metalle nur eine geringfügige Änderung des Widerstandes unter Einwirkung allseitigen Druckes zeigen und der Wert dieser Kompensationswiderstände klein ist gegenüber dem der Halbleiter, können diese Kompensationswiderstände zusammen mit den Halbleiter-Elementen in das Druckmedium eingebracht werden, so daß auch eine engste thermische Kopplung gewährleistet ist.Since metals only have a slight change in resistance under action show all-round pressure and the value of these compensation resistors is small compared to that of the semiconductors, these compensation resistors can be used together with the semiconductor elements are introduced into the printing medium, so that a closest thermal coupling is guaranteed.

Mittels eines Instrumentes 5, z.B. eines Anzeige- oder Registriergerätes, kann die druckabhängige Ausgangsspannung der Brücke angezeigt werden.By means of an instrument 5, e.g. a display or recording device, the pressure-dependent output voltage of the bridge can be displayed.

Zur Speisung der Brücke kann eine beliebige Spannungsquelle ausreichender Konstanz Verwendung finden, die einen Strom I durch die Brücke fließen läßt. Zweckmäßiger ist es jedoch, der Temperaturabhängigkeit der Brückenwiderstände dadurch zu begegnen, daß die Ausgangsspannung U der Spannungsquelle in Abhängigkeit von dem durch die Brücke fließenden Strom I gesteuert wird: U = UO + al.Any voltage source can be used to supply the bridge more adequate Constancy find use, which allows a current I to flow through the bridge. More expedient it is, however, to counter the temperature dependence of the bridge resistances by that the output voltage U of the voltage source as a function of the through the Bridge flowing current I is controlled: U = UO + al.

Dazu eignet sich beispielsweise eine Schaltungsanordnung nach Fig. 2. Aus einer Spannungsquelle 6 fließt der rückenstrom über Widerstände 7 und 8 zur Brücke, deren Ausgang, gleich der Stromquelle 6, an Masse licgen kann. Mit Hilfe der Widerstände 7 und 8 läßt sich die Spannung UO einstellen, während der Faktor ar durch einen Widerstand 9 und die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker bestimmt wird. Auf diese Weise wird die Brückenspeisespannung in Abhängigkeit vom Brückenstrom nachgeführt.A circuit arrangement according to FIG. 2. The reverse current flows from a voltage source 6 through resistors 7 and 8 Bridge, the output of which, like the current source 6, can be connected to ground. With help of the resistors 7 and 8, the voltage UO can be set, while the factor ar through a resistor 9 and the gain factors of the operational amplifiers is determined. In this way, the bridge supply voltage is dependent on the Bridge current tracked.

Fig. 3 zeigt die Brückenausgangsspannung U (D) in Abhängigkeit von dem Druck im Temperaturbereich zwischen 0 und 500 C, wobei die Brückenspeisespannung ca. 1,2 V beträgt. Die Linearitätsabweichungen sind kleiner als 1 %.Fig. 3 shows the bridge output voltage U (D) as a function of the pressure in the temperature range between 0 and 500 C, the bridge excitation voltage is approx. 1.2 V. The linearity deviations are less than 1%.

Fig. 4 schließlich zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Druckaufnehmer der vorgeschlagenen Art. In einem Gehäuse 13 sind, eingebettet in eine geeignete Flüssigkeit 14, z.B. Siliconöl, die druckempfindlichen Widerstände angeordnet, von denen nur zwei, nämlich die Widerstände 15 und 15', dargestellt sind.Finally, FIG. 4 shows an exemplary embodiment for a pressure transducer of the proposed type. In a housing 13 are embedded in a suitable Liquid 14, e.g., silicone oil, placed the pressure sensitive resistors from which only two, namely the resistors 15 and 15 ', are shown.

Anschlußleitungen 16 sind isoliert und druckfest nach außen geführt. Uber eine Membran 17 aus geeignetem Material wird der zu messende Druck eingeleitet. Anstelle einer Flüssigkeit und einer diese bewahrenden Membran kann auch ein Silicongummi Verwendung finden, wodurch Aufbau und Herstellung vereinfacht werden.Connection lines 16 are insulated and led to the outside in a pressure-tight manner. Via a membrane 17 made of a suitable material, the to be measured Pressure initiated. Instead of a liquid and a membrane that preserves it A silicone rubber can also be used, which simplifies construction and manufacture will.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Anordnung sind sehr hohe obere Grenzfrequenz, praktisch vollkommene Temperaturkompensation und außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Überlastungen.The advantages of the proposed arrangement are very high upper limit frequency, practically perfect temperature compensation and extraordinary resistance against mechanical overloads.

Claims

PATENT CLAIMS: Arrangement for direct measurement of hydrostatic pressures using a bridge circuit in the branches of which semiconductor elements are arranged and from their output voltage an electrical quantity proportional to the pressure can be derived, characterized in that the semiconductor elements (1, 2, 3, 4) are exposed to the pressure to be measured and that they are made of materials that although they have the same temperature dependency, they have opposite pressure dependencies.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor elements consist of intrinsic InSb and intrinsic Te.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that in series connected to the elements (2, 3) consisting of Te compensation resistors (2 ', 3') are.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the compensation resistors (2 ', 3') are made of metal and their resistance value is about 5 that of the semiconductor elements (2, 3) is.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that that to feed the bridge circuit (1, 2, 3, 4) one controlled by the bridge current Voltage source (6, 7, 8, 9) is provided.