DE3008573A1

DE3008573A1 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE3008573A1
Application number: DE19803008573
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Binder; Theodor Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Gast; Günter Dipl.-Ing. 7257 Ditzingen Hönig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-03-06
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1981-09-17

Description

Druckaufnehmer
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Druckaufnehmer nach der Gattung des Hauptanspruches.
Es sind bereits eine Vielzahl von Druckaufnehmern bekannt, die als sogenannte Druckdosen eine Membran aufweisen, auf die der zu messende Druck ausgeübt wird. Dabei wird in der Regel die Verformung der Membran ausgenutzt, um hieraus auf mechanischem oder elektrischem Wege eine Größe abzuleiten, die dem zu messenden Druck entspricht. Ein derartiger Druckaufnehmer ist beispielsweise in der DE-OS 28 03 710 beschrieben. Bei diesem bekannten Druckaufnehmer sind die elastischen Teile der Druckmeßdose als Kondensatorbeläge ausgebildet und die Änderung der Kapazität wird als Maß für den einwirkenden Druck herangezogen.
Schließlich ist aus dem Buch von Camenzind, Circuit Design for Integrated Electronics, Addison-Wesley Publishing Company, 1968 ein Halbleiterresonanzsystem bekannt, bei dem eine resonanzfähige Zunge über einem Kanal einer FET-Struktu angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, direkt ein druckproportionales elektrisches Signal zu gewinnen, wobei die Druckwandleranordnung bereits einen Verstärker bildet, so daß die Realisierung von besonders empfindlichen Wandlern möglich ist.
Zeichnung Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Druckaufnehmern sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Halbleiter-Resonanzelement nach dem Stande der Technik; Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers; Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Bei dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Resonanzsystem ist auf einem Substrat 10 vermittels eines Fußteiles 11 eine resonanzfähige Zunge 12 über einem als Gate-Elektrode dienenden Kanal 13 einer FET-Struktur 14 angeordnet. Die FET-Struktur 14 weist weiterhin eine Source-Elektrode 15 und eine Drain-Elektrode 16 auf. Das freie Ende der resonanzfähigen Zunge ist über einer Elektrodenplatte 17 angeordnet. Eine Spannungsquelle 18 ist zwischen die Elektrodenplatte 17 und die Zunge 12 geschaltet. Die FET-Struktur 14 ist an ihrer Drain-Elektrode 16 mit einer Gleichspannungsquelle 19 und über einen Koppelkondensator 20 mit einer Klemme 21 beschaltet.
Die Zunge 12 bildet ein mechanisches resonanzfähiges System, wobei die Resonanzfrequenz der Zunge 12 von ihrer Breite, ihrer Länge, der Dichte des verwendeten Materiales und dem Elastizitätsmodul abhängt. Gelangt das System entsprechend Fig. 1 mechanisch in Resonanz, wird die Zunge 12 ausgelenkt und damit der Kanal 13 der FET-Struktur 14 moduliert. Hierdurch entsteht ein modulierter Strom durch die FET-Struktur 14 und ein entsprechendes Signal kann über den Koppelkondensator 20 und die Klemme 21 ausgekoppelt werden.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers entsprechend Fig. 2 ist in einer Dose 25 eine Membran 26 eingespannt. Am Boden der Dose befindet sich ein Substrat 27, auf dem eine Doppel-FET-Struktur 28 angeordnet ist.
Die Doppel-FET-Struktur 28 besitzt eine gemeinsame Source-Elektrode 29. Von dieser Elektrode führt ein Kanal 30 zu einer ersten Drain-Elektrode 31 sowie über einen weiteren Kanal 32 zu einem Lastwiderstand 33, der an eine stabilisierte Gleichspannung angeschlossen ist. Andererseits führt von der gemeinsamen Source-Elektrode 29 ein Kanal 34 zu einer zweiten Drain-Elektrode 35 und über einen Kanal 36 zu einem zweiten Lastwiderstand 37, der ebenfalls mit einer stabilisierten Gleichspannung abgeschlossen ist. An der Membran 26 ist ein piezokeramisches Element 38 derart befestigt, daß es dicht über dem Kanal 30 zwischen der gemeinsamen Source-Elektrode 29 und der ersten Drain-Elektrode 31 angeordnet ist.
Wird nun auf die Membran 26 ein Druck ausgeübt, nähert sich das piezokeramische Element 38 dem Kanal 30 und damit wird der Strom durch die Doppel-FET-Struktur 28 veränderte so daß aus der Stromänderung ein dem Druck entsprechendes Signal gewonnen werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird hierzu zusätzlich ein FET der Doppel-FET-Struktur mit einer Trägerfrequenz moduliert, so daß die Druckmessung in einem störungsfreien Frequenzbereich durchgeführt werden kann. Weiterhin ist es möglich, die beiden FET-Strukturen jeweils gegenphasig mit dem Trägerfrequenzsignal anzusteuern, so daß eine Differenzmessung möglich wird. Schließlich kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auch das piezokeramische Element 38 selbst mit dem Trägerfrequenzsignal moduliert werden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers ist statt einem piezokeramischpn-Element an der Membran 36 ein Halteelement 39 befestigt5 das eine Zunge 40 trägt. Die Zunge 40 erstreckt sich wiederum über einen Kanal 34 der FET-Struktur 28, wie sie bereits zum Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 2 erläutert wurde. Weiterhin erstreckt sich die Zunge 40 über eine Elektrodenplatte 41.
In einer ersten Betriebsweise des Druckaufnehmers entsprechend Fig. 3 wird wie im ersten Ausführungsbeispiel durch Annäherung der Zunge 40 an den Kanal 34 der Doppel-FET-Struktur 28 eine Stromänderung bewirkt und damit ein dem Druck entsprechendes Signal erzeugt. In einer weiteren Betriebsweise der anordnung entsprechend Fig. 3 wird zwischen die Elektrodenplatte 41 und die Zunge 40 eine Polarisationsspannung derart geschaltet, daß zwischen Elektrodenplatte 41 und Zunge 40 ein elektrisches Feld entsteht, durch das bei Druckeinwirkung auf die Membran 26 der Abstand zwischen Zunge 40 und Kanal 34 konstant gehalten werden kann. Die Konstanz dieses Abstandes läßt sich dabei aus dem Strom durch die Doppel-FET-Struktur 28 herleiten. Die zum Konstanthalten des Abstandes zwischen Zunge 40 und Kanal 34 erforderliche Polarisationsspannung zwischen der Elektrodenplatte 41 und der Zunge 40 ist dann ein Maß für den auf die Membran 26 einwirkenden Druck. Vorteil dieser zweiten Betriebsweise ist es, daß der Abstand zwischen Zunge 40 und Kanal 34 sehr klein gewählt werden kann und damit eine besonders empfindliche Meßanordnung zur Verfügung steht.
Druckaufnehmer Zusammenfassung Es wird ein Druckaufnehmer mit einer dem Druck ausgesetzten Membran vorgeschlagen, bei dem ein mit der Membran verbundenes Element über einem Kanal einer FET-Struktur angeordnet ist. Dabei wird entweder direkt der Einfluß der Annäherung des Elementes an den Kanal in der FET-Struktur gemessen oder es wird über eine gesonderte elektrische Anordnung der Abstand des Elementes von dem Kanal konstant gehalten und die zum Aufbringen der Gegenkraft erforderliche Spannung ausgewertet.

Claims

Ansprüche Druckaufnehmer mit einer dem Druck ausgesetzten Membran, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Membran (26) verbundenes Element über einen Kanal (30, 34) einer FET-Struktur angeordnet ist.
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die FET-Struktur eine Doppel-FET-Struktur (28) ist.
3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein FET der Doppel-FET-Struktur (28) mit einem Trägerfrequenzsignal angesteuert wird.
4. Druckaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden FET-Strukturen der Doppel-FET-Struktur (28) gegenphasig mit dem Trägerfrequenzsignal angesteuert werden.
5. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein piezokeramisches Element (38) ist.
6. Druckaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezokeramische Element (38) mit dem Trägerfrequenzsignal angesteuert wird.
7. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Zunge (40) ist.
8. Druckaufnehmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (40) weiterhin über einer Elektrodenplatte (41) angeordnet ist, daß zwischen Zunge (40) und Elektrodenplatte (41) eine Polarisationsspannung geschaltet ist, derart, daß der Abstand zwischen Zunge (40) und dem Kanal (34) der FET-Struktur konstant gehalten wird, so daß der Betrag der Polarisationsspannung ein Maß für den auf der Membran (26) lastenden Druck ist.