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Meßanordnung für einen Druck-Meßumformer
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung, vorzugsweise aus
Halbleiterwerkstoff, für einen Druck-Meßumformer mit über vier Anschlußleitungen
zu einer Vollbrücke schaltbaren Dehnungsmeßstreifen in Form von auf oder in der
Oberfläche einer Membran angeordneten, abschnittsweise parallelen Widerstandsbahnen.
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Die bei der vom Meßdruck bewirkten Auslenkung einer am Rand eingespannten
Meßmembran in deren Oberfläche auftretenden mechanischen Spannungen mit radialen
und tangentialen Komponenten können, wie bekannt, mit Hilfe von dehnungsempfindlichen
Widerständen, sogenannten Dehnungsmeßstreifen, in meßdruckproportionale elektrische
Signale umgewandelt werden.
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Üblich ist, die Dehnungsmeßstreifen bzw. die entsprechenden, eindotierten
Widerstandsbahnen bei Halbleiter-Meßmembranen so anzuordnen, daß sie in den Randbezirken
der Meßmembran auf die dort vorherrschende radiale Spannungskomponente, im Mittenbereich
auf die tangentiale Spannungskomponente ansprechen.
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Es besteht allgemein die Forderung, durch einfache Maßnahmen die Empfindlichkeit
und Linearität sowie die Nullpunktspannung derartiger, aus vier Dehnungsmeßstreifen
bestehender Meßbrücken weitgehend unabhängig voneinander einzustellen und optimieren
zu können, wobei ein bestimmter Widerstandswert der Brücke einzuhalten ist und der
Längswiderstand der Brücke sich bei Druckbelastung nicht ändern darf. Um eine voll
kompensierte Brücke mit möglichst kleiner Nullpunktspannung zu erhalten, sollen
die Brückenwiderstände gleich groß sein.
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Unter diesen Gesichtspunkten sind die Dehnungsmeßstreifen bzw. entsprechende
Abschnitte von eindotierten T.liderstandsbahnen geometrisch anzuordnen. Bei einer
bekannten Ausführung einer Meßmembran für Druckwandler aus Silizium mit eindotierten
Widerstandsbahnen in der (111)-Ebene (Philips techn. Rdsch. 33, 15 - 22, 1973/74,
Nr. 1) ist diesen Forderungen im wesentlichen Rechnung getragen.
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Die Widerstandsbahnen sind dort zusammenhängend, abschnittsweise parallel
angeordnet. Die Abschnitte in den Randbezirken der Membran verlaufen parallel einem
Radius und bilden die zur Aufnahme der radialen Spannungskomponente vorgesehenen
Dehnungsmeßstreifen; die anderen, für die tangentiale Spannungskomponente empfindlichen
Dehnungsmeßstreifen werden durch Abschnitte mit zweimaliger rechtwinkliger Richtungsumkehr
der Widerstandsbahnen im Mittenbereich der Membran gebildet. Die vier Anschlußleitungen
bestehen aus radial angeordneten Leiterbahnen aus Aluminium, die in Kontaktflächen
auf dem Tragring der Membran enden.
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Derartige Meßanordnungen gleicher Bauart lassen sich durch Anderung
von Durchmesser und/oder Dicke der verwendeten Meßmembranen in unterschiedlichen
Druck-Meßbereichen einsetzen.
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Im Hinblick auf eine wirtschaftliche Fertigung sind hierbei geometrisch
ähnliche Brückenanordnungen zu verwenden,
deren Widerstände analytisch
ermittelt und mit Hilfe von danach ausgebildeten Vorrichtungen, sogenannten Masken,
hergestellt bzw. auf oder in die Membranoberfläche gebracht werden.
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Bei der Vergrößerung oder Verkleinerung der Brückenanordnung läßt
sich jedoch der Einfluß von rechtwinkligen Ecken, wie sie bei der bekannten Ausführung
vorkommen, analytisch nur schwer erfassen; die optimale Ausbildung der Widerstandsbahnen
hinsichtlich Gleichheit der Brückenwiderstände, Empfindlichkeit und Linearität der
Meßbrücke muß deshalb iterativ, also mit großem Arbeitsaufwand, erfolgen.
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Es besteht demgemäß die Aufgabe, die für den Aufbau einer Dehnungsmeßstreifen-Brücke
vorgesehene geometrische Anordnung von Widerstandsbahnen und Leiterbahnen zum Anschluß
der Brückeneckpunkte so auszuführen, daß sie herstellungsmäßig in einfacher Weise
an Meßmembranen verschiedener Abmessungen anpaßbar ist und die zum unabhängigen
Abgleich verschiedener Brückenparameter notwendigen Maßnahmen zuläßt.
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Eine Lösung der Aufgabe wird in einer Meßanordnung der eingangs genannten
Art gesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei gleiche Widerstandsbahnen
parallel und spiegelbildlich zu einem Durchmesser der Meßmembran verlaufend angeordnet
und über bogenförmige Endabschnitte verbunden sind und daß die Anschlußleitungen
im Bereich des Vorzeichenwechsels der radialen Spannungskomponente in der Membran
an die Widerstandsbahnen angeschlossen sind.
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Im Gegensatz zu den bekannten Ausführungen wird bei dieser Anordnung
im wesentlichen nur die radiale Spannungskomponente in der Meßmembran zur Erzeugung
des elektrischen Meßsignals herangezogen, wobei der bei etwa halbem
Membranradius
auftretende Vorzeichenwechsel der radialen Spannungskomponente zur Erzielung einer
gegenläufigen Beanspruchung der Brückenwiderstände genutzt wird.
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Dies läßt eine geometrische Gestaltung der Widerstandsbahnen und Anschlußleitungen
zu, die sich auf einfache Weise verändern läßt, so daß für die Verwendung der Brückenschaltung
auf Membranen verschiedenen Durchmessers keine umfangreichen Berechnungen und Versuche
notwendig werden. Die Länge und Breite der geradlinig verlaufenden Widerstandsbahnen
als Aktivteile der Meßbrücke, die bogenförmigen Endabschnitte sowie die Lage der
Anschluß stellen für die Anschlußleitungen lassen sich ohne besonderen Aufwand berechnen
und auf die Masken für die Herstellung übertragen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Meßmembran aus n-leitendem
Silizium, die Widerstandsbahnen mit ihren bogenförmigen Endabschnitten sowie die
als Leiterbahnen ausgebildeten Anschlußleitungen sind in gleichartiger Weise p-leitend
in die (111)-Ebene eindotiert, wobei die Leiterbahnen von solcher Breite sind, daß
ihr Widerstand um wenigstens eine dezimale Größenordnung kleiner ist als der der
Widerstandsbahnen. Infolge der materialmäßigen Gleichartigkeit läßt sich die gesamte
Brükkenanordnung in einem Arbeitsgang in die Oberfläche der Membran einbringen.
Die zur Einstellung der Empfindlichkeit, der Nullpunktspannung oder der Kompensation
der Brücke notwendigen Änderungen an der im Herstellungsprozeß benötigten einen
Maske sind mit wenig Aufwand durchführbar.
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Die Brückenanordnung mit Widerstandsbahnen parallel zu einem Membrandurchmesser
läßt sich auch bei Meßmembranen aus anderen Werkstoffen in entsprechender Weise
anwenden, indem dort Widerstands- und Leiterbahnen unter Verwen-
dung
entsprechender Masken aufgedampft oder in anderer Weise auf die Oberfläche der Meßmembran
aufgebracht werden.
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Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren 1 und 2 Ausführungsbeispiele
dargestellt und im folgenden beschrieben.
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Figur 1: Eine kreisförmige Meßmembran 1 ist als in den Kreisring 2
eingespannt anzusehen, ihr Einspannrand ist durch den gestrichelt gezeichneten Kreis
K1 angedeutet.
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Die bei der Auslenkung der druckbeaufschlagten Membran auftretenden
Spannungen in der Membranoberfläche werden mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen in
druckproportionale elektrische Signale umgewandelt. Als Dehnungsmeßstreifen dienen
hier Abschnitte von zwei gleichen Widerstandsbahnen 3, 3', die parallel und spiegelbildlich
zu einem Durchmesser D der Meßmembran 1 aufgebracht und über bogenförmige Endabschnitte
4 und 4' verbunden sind.
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In dem durch den strichpunktierten Kreis K2 mit etwa dem halben Membranradius
angedeuteten Bereich des Vorzeichenwechsels der radialen Spannungskomponente liegen
die Anschlußstellen 5, 6, 7 und 8, in welchen Anschlußleitungen 5', 6', 7', 8' an
die Widerstandsbahnen 3, 3' angeschlossen sind. Die Anschlußstellen 5, 6, 7, 8 bilden
die Eckpunkte einer Vollbrückenschaltung, deren vier veränderliche Brückenwiderstände
aus den äußeren Abschnitten 9 und 10 und den inneren Abschnitten 11 und 12 des Paares
von Widerstandsbahnen 3 und 3' gebildet sind. Die Anschlußleitungen 5', 6', 7',
8' sind hier beispielsweise als Aluminiumstreifen ausgeführt, deren spezifischer
Widerstand klein ist gegen den der Widerstandsbahnen 3, 3'. Die bogenförmigen Endabschnitte
4 und 4' können ebenfalls aus einem Material niedrigen Widerstands bestehen oder,
wie gezeichnet, in gleicher Art und Weise wie die Widerstandsbahnen 3, 3' ausgeführt
sein, jedoch
von solcher Breite, daß der Widerstand um mehrere Größenordnungen
kleiner ist als der der Widerstandsbahnen.
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Um den Einfluß der Endabschnitte auf die meßdruckbedingten Widerstandsänderungen
der Brücke weiter zu verringern bzw. auszuschalten, können diese Endabschnitte auch
außerhalb des durch den Kreis K1 umschriebenen Membranrands liegen.
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Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform, wobei gleiche bzw. entsprechende
Teile die gleichen Bezugszeichen wie bei der in Figur 1 dargestellten Ausführung
aufweisen.
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In einem monolithischen Substrat aus n-leitendem Silizium ist durch
eine Abtragung auf einer konzentrischen Kreisfläche in der (111)-Ebene eine Meßmembran
1 hergestellt, deren Rand durch den Kreis K1 angedeutet ist und deren Durchmesser
und Dicke in der Größenordnung von 1 bis 2 mm bzw. 10 bis 500 /um liegen.
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Der in der ursprünglichen Dicke der Substratscheibe stehengebliebene
Kreisring 2, ist als Trag- bzw. Einspannring für die Membran 1 anzusehen.
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Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 sind hier sämtliche
Teile der Brückenschaltung, nämlich die parallelen Widerstandsbahnen 3,3', mit ihren
die Brükkenaziderstände bildenden Abschnitten 9, 10, 11, 12 und den bogenförmigen
Endabschnitten 4 und 4r sowie die Anschlußleitungen 5' bis 8' in Form von Leiterbahnen
in gleichartiger Weise, d. h. als in die Oberfläche eindotierte, p-leitende Streifen,
ausgebildet.
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Der Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, daß das gesamte
Leiterbild der Brücke in einem einzigen Arbeitsgang mittels einer einzigen Maske
aufgebracht werden kann. Die zu den Anschlußstellen 5, 6, 7, 8 führenden Leiterbahnen
sind so breit ausgeführt, daß ihr Widerstand um mindestens eine Größenordnung kleiner
ist als der der Widerstandsbahnen 3, 3'. Die Mittellinien al -und a2 - a'2 der paarweise
symmetrisch angeordneten Lei-
terbahnen der Anschlußleitungen 5'
bis 8' treffen senkrecht auf die parallel zu einem Durchmesser angeordneten Widerstandsbahnen
3, 3' und sind Tangenten an den den Bereich des Vorzeichenwechsels der radialen
Spannungskomponente bezeichnenden Kreis K2.
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Die einer Berechnung gut zugänglichen bogenförmigen Endabschnitte
4 und 4' weisen den gleichen spezifischen Widerstand wie die Widerstandsbahnen 3,
3' auf. Sie können gegebenenfalls auch innerhalb des Membranrandes liegen.
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Durch wenige und ohne Schwierigkeiten zu berechnende Veränderungen
läßt sich das Bild der Brückenschaltung geometrisch ähnlich vergrößern bzw. verkleinern
und so an verschiedene Membrandurchmesser anpassen.
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Darüber hinaus können durch die geringfügige Änderung des Abstandes
der Mittellinien al - a'1 und a2 - a'2 die als Brückenwiderstände wirkenden Abschnitte
9, 10, 11 und 12 aneinander angeglichen und die Brücke so kompensiert werden. Durch
Verschiebung der auf den Mittellinien al - a'1, a2 - å'2 liegenden Anschlußstellen
5, 6, 7 und 8 nach innen oder außen unter gleichzeitiger entsprechender Verkürzung
oder Verlängerung der äußeren Abschnitte 9 und 10 kann das Verhältnis der Druckempfindlichkeit
der äußeren und inneren Widerstände und damit eine vorhandene Nichtlinearität ohne
Änderung der Nullpunktspannung beeinflußt werden.
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Die Empfindlichkeit der Brücke ist u. a. durch entsprechende Wahl
der Breite b der Anschlußstellen 5, 6, 7, 8 beeinflußbar.
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Die Leiterbahnen der Anschlußleitungen 5', 6', 7', 8' sind streng
symmetrisch angeordnet, die Winkel, die die Ränder der Widerstands- und Leiterbahnen
an den Anschlußstellen einschließen, sind gleich, um den Einfluß auf die Widerstandsänderungen
der Brücke möglichst klein zu halten.