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Meßgrößenumformer mit einem Dünnschicbt-Beanspruchungsmesser
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Beschreibung: Diese Erfindung betrifft einen Meßgrößenumformer, mit
wenigstens einem i)ünnschicht-Beanspruchungsmesser.
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Meßgrößenumformer oder Kraftwandler, deren Beanspruchungsmesser und
Wandler in Form von DWnnschicht-Widerstandselementen oder -brücken ausgebildet sind,
sind seit vielen Jehren in Gebrauch. Typischerweise sind solche Beanspruchungsmesser
an einem Verformungsteil vorgesehen, das sich entsprechend einer einwirkenden Kraft
verformt. In solchen Fällen
können Temperatureffekte eine ungleichmäßige
Ausdehnung der Zweige der Brückenschaltung hervorrufen, selbst wenn keine tatsächliche
oder wirksame Kraft einwirkt. Dies verursacht wiederum eine Verschiebung des Nullpunktes
der Brükkenschaltung, da ein Ausgangssignal erzeugt wird, selbst dann, wenn keine
Kraft einwirkt. In gleicher oder ähnlicher Weine können Temperatureffekte differenzielle
änderungen in der Elastizität oder der Federkonstante der verschiedenen Abschnitte
bzw. Bestandteile des Meßgrößenumformers hervorrufen, so daß wiederum eine gegebene
Verformung des Verformungsteils unterschiedliche Ausgangssignale der Brückenschaltung
hervorbringt, wenn sich die Temperatur ändert. Dies verursacht eine Verschiebung
der Brückencharakteristik, dis auch als Meßfaktor oder Empfindlichkeit bezeichnet
werden kann.
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Es sind bereits verschiedene Vorschläge zur Kompensation der Temperatureffekte
bekanntgeworden. Die US-Patentschrift ( 30C/nev eS ct) 2 930 224 224'offenbart eine
Form der Temperaturkompensation eines Beanspruchungsmessers, bei welcher ein bezüglich
der Beanspruchungen unempfindliches Thermoelement vorgesehen ist, welches einen
Strom mit einer solchen Polarität erzeugt, die entgegengesetzt der Polarität des
vom Beanspruchungsmesser-Widerstandselementes erzeugten Stromes ist, um auf diese
Weise die Temperatureffekte auszuschließen. Gleichwohl befinden sich die zur Temperaturkompensation
vorgesehenen Elemente auf dem mechanisch beanspruchten Abschnitt des Verformungsteils,
so
daß diese Elemente wiederum Gegenstand von Widerstandsänderungen als Folge der einwirkenden
Beanspruchung sind. Die US-Patentschrift 3 034 346 (Starr) vermittelt den Vorschlag,
Maßnahmen zur Kompensation der Nicht-Linearität des Beanspruchungsmessers vorzusehen,
wozu Kompensations-Widerstandselemente auf dem mechanisch beanspruchten Abschnitt
des Verformungsteils vorgesehen sind. Schließlich offenbart die US-Patentschrift
3 886 799 (Billette et al) eine Form eines Halbleiter-Druckwandlers, bei welchem
auf dem Verformungsteil Kompensationselemente zusammen mit einer Be anspruchungsmess
er-Meßbrücke vorgesehen sind.
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Obwohl alle diese bekannten Vorschläge einen gewissen Erfolg bei der
Kompensation der Temperatureffekte gebracht haben, verursacht die Anordnung der
Kompensationselemente auf dem mechanisch beanspruchten Abschnitt des Verformungsteils
Widerstandsschwankungen als Folge der mechanischen Beanspruchung, wobei Wechselwirkungen
dieser Widerstandsänderungen mit der angestrebten Wirkung der Kompensationselemente,
nämlich die Temperatureffekte möglichst gering zu machen, auftreten können. Darüberhinaus
war die Herstellung der bekannten Meßgrößenumformer mit Dunns chi cbt-Beanspruchungsmesser
infolge aufwendiger und komplizierter Verfahrensschritte recht kostapielig und zeitaufwendig.
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Davon ausgehend besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin,
einen
verbesserten Meßgrößenumformer mit Dünnschicht-Beanspruchungsmesser bereitzustellen,
der eine Temperaturkompensation aufweisen soll.
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Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein solcher Neßgrößenumformer
bereitgestellt werden, bei welchem die Einwirkung solcher mechanischer Beanspruchungen
auf die Kompensationselemente ausgeschlossen ist, welche dessen Wirksamkeit und
Leistung beeinflussen könnten.
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Schließlich besteht ein weiteres Ziel dieser Erfindung darin, einen
solchen Meßgrößenumformer bereitzustellen, bei welchem der Aufbau der Beanspruchungsmesser
und de Kompensationselemente recht einfach ist, so daß eine schnelle und preiswerte
Fertigung solcher Meßgrößenumformer möglich ist.
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Weitere Aufgaben, Ziele, Vorteile und Besonderheiten dieser Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe und Ziele ist ein Neßgrößenumformer
mit denin Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
eines solchen Meßgrößenumformers ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Somit weist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Meßgrößenumformers
ein Verformungsteil auf, auf dem an einer Stelle, die bei Verformung des Verformungsteiles
mechanisch beansprucht wird, wenigstens ein Beanspruchungsmesser-Dünnschicht-Widerstandselement
aufgebracht ist. Zu diesem Widerstandselement führen Zuleitungen aus einem Material,
dessen Wärme-Widerstands-Eoeffizient ein entgegengesetztes Vorzeichen zu demjenigen
des für das Beanspruchungsmesser-Dünnschicht-Widerstandselement verwendeten Materials
aufweist.
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Die Temperaturkompensations-Widerstandselemente sind in den Zuleitungen
ausgebildet und an solchen Stellen bzw. Abschnitten auf dem Verformungsteil aufgebracht,
an denen bei bestimmungsgemäßem Gebrauch keine mechanischen Beanspruchungen auftreten.
Zumeist wird eine Brückenschaltung aus Beanspruchungsmesser-Widerstandselementen
vorgesehen. Als Folge des vereinfachten Herstellungsverfahrens zur Erzeugung solcher
Meßgrößenumformer befinden sich die Zuleitungen auf einer Dünnschicht-Unterlage
aus dem gleichen Material wie die Beanspruchungsmesser-Widerstandselemente.
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Im Rahmen dieser Unterlagen wird die Angabe Dünnschicht11 zur Bezeichnung
solcher Bauelemente mit sehr geringer Dicke verwendet, wie sie bei der Sputter-Technik
oder bei der Vakuum-Abscheidung erhalten werden. Die Dicke solchr Schichten wird
typischerweise in i -hinheiten oder Mikron angegeben, so daß verschiedene Schichten
dieser Dünnschichten" eine Dicke von lediglich 4 bis 30 Mikron (pm) aufweisen, während
eine einzelne Schicht eine Schichtdicke von ungefähr
200 i-Einheiten
bis etwa 1 lum aufweist. Solche Dunnschicht-Bauelemente werden in integrierten Schaltungen
verwendet, und sind leicht unterscheidbar von diskreten Elementen oder im Falle
von Beanspruchungsmessern von gebondeten Meßstreifen oder Meßdrähten.
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Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand einer bevorzugten
Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Figuren erläutert; es zeigt: Fig. 1 in einer
stark vergrößerten, perspektivischen Darstellung ein Verformungsteil, auf dem erfindungsgemäß
eine Temperatur-kompensierte Beanspruchungsmesser-Neßbrücke abgeschieden ist; Fig.
2 anhand eines Schaltbildes die Brückenschaltung nach Fig. 1; und Fig. 3 in einer
stark vergrößerten Darstellung einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 1, wobei
Abschnitte der einzelnen abgeschiedenen Dünnschichten zur Bildung der Beanspruchungsmesser-Widerstandselemente
und der elektrischen Zuleitungen zu erkennen sind.
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Bei der nachfolgenden detaillierten Erläuterung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung anhand der verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche Bauteile in den verschiedenen Figuren.
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Mit den Fig. 1 bis 3 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Meßgrößenumformers dargestellt, der ein Verformungsteil 10 in Form eines Biegestabes
oder dgl. aufweist; dieses Verformungsteil 10 weist einen bei mechanischer Beanspruchung
unbewegt bleibenden Abschnitt 12 und einen bei einer solchen Beanspruchung bewegbaren
Abschnitt 14 auf, welcher über einen biegsamen Abschnitt 16 mit jenem unbeweglichen
Abschnitt 12 verbunden ist. Typischerweise besteht das Verformungsteil 10 aus einem
federelastischen Material, beispielsweise Stahl, und weist eine quaderförmige Gestalt,
etwa in Form eines rechteckigen ParallelepipeRs aur, wie das in Fig. 1 zu erkennen
ist. Darüberhinaus können jedoch auch andere geeignete ~federelastische Materialien
sowie eine andere Gestalt des Verformungsteils vorgesehen werden.
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Bei der hier dargestellten Gestalt des Verformungsteils 10 sind in
dem biegsamen Abschnitt 16 zwei Löcher 18,20 seitlich durch das Verformungsteil
10 gebohrt oder in sonstiger Weise ausgebildet; diese Löcher 18 und 20 sind über
einen Schlitz 22 miteinander verbunden; ferner führt ein weiterer Schlitz 24 von
dem Loch 20 zur Unterseite des Verformungsteils 10. Wenn nun der unbewegliche Abschnitt
12 fest eingespannt ist, und eine Kraft auf den beweglichen Abschnitt 14 einwirkt,
wie das in ilig. 1 mit dem Pfeil angedeutet ist, dann verformt sich die Oberseite
261des biegsamen Abschnittes 16 in einer wellenförmigen Gestalt, so daß der dünne
Abschnitt 28 oberhalb des Loches 18 unter einer Zugbeanspruchung steht und der dünne
Abschnitt 30 oberhalb des Loches 20 unter einer Druckbeanspruchung steht.
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Auf der Oberseite 26 sind in einer Weise, wie das nachstehend beschrieben
ist, vier Beanspruchungsmesser-Dünnschicht-Wider3tandselemente R1 ,R21R3 und R abgeschieden;
4 im einzelnen ist eine solche Anordnung dieser Widerstandselemente vorgesehen,
daß sich die Widerstandselemente R1 und R3 oberhalb des dünnen Abschnittes 28, sowie
die Widerstandselemente R2 und R4 oberhalb des dünnen Abschnittes 30 befinden. Die
Fig. 2 deutet schematisch an, welche Beanspruchungsmesser-Widerstandselemente auf
Zug beansprucht werden (T) und welche auf Druck beansprucht werden (C); ferner zeigt
die Fig. 2 die elektrische Schaltung dieser Widerstandselemente untereinander in
Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung. Die Widerstands elemente R1 und R4
sinQ am Knotenpunkt 32 mit den Dünnschicht-Metallzuleitungen 34,36 verbunden. Ferner
verläuft eine lange Dünnschicht-Bahn 38 von diesem Knotenpunkt 32 im beweglichen
Abschnitt 14 bis zu dem unbeweglichen Abschnitt 12 und ist dort mit einem serpentinenförmigen
Temperaturkompensations-Dünnschicht-Widerstandselement R51 verbunden, das aus dem
gleichen Metall wie diese Bahn 38 besteht. Das andere Ende des Widerstandselementes
R Bs1 ist mit einer Anschlußfläche 40 verbunden.
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Weiterhin verläuft eine Dunnschicht-Bahn 42 von dem Widerstandselement
R4 im beweglichen Abschnitt 14 bis zu dem unbeweglichen Abschnitt 12 und ist dort
mit einem serpentinenförmigen Temperaturkompensations-Dünnschicht-Widerstands element
R z1 verbunden, das wiederum aus dem gleichen Metall wie diese Bahn 42 besteht.
Das andere Ende dieses Widerstandselementes
Rz1 ist mit einer
zweiten Anschlußfläche 44 verbunden. Die Widerstandselemente R1 und R2 sind über
die metallischen Dünnschicht-Zuleitungen 48,50 am Knotenpunkt 46 miteinander verbunden.
Von diesem Knotenpunkt 46 führt eine lange Dünnschichtbahn zu einer Anschlußfläche
57, die auf dem unbeweglichen Abschnitt 12 aufgebracht ist. Vom Widerstandselement
R2 führt eine Dünnschicht-Zuleitung 56 zum Knotenpunkt 58, von dem wiederum eine
weitere Dünnschichtzuleitung 60 zum Widerstandselement R3 führt. Ferner verläuft
von diesem Knotenpunkt 58 eine lange Dünnschichtbahn 62 zu einem weiteren serpentinenförmigen
Temperaturkompensations-Dünnschicht-Widerstandselement R52, das auf dem unbeweglichen
Abschnitt 12 aufgebracht ist. Das andere Ende dieses Widerstandselementes X82 ist
mit der Anschlußfläche 64 verbunden. Schließlich führt eine lange Dünne schichtbahn
66 vom Widerstandselement R3 zu einem weiteren Temperaturkompenßations-Dunn3chicht-Wlderstandselement
Rz das auf dem unbeweglichen Abschnitt 12 aufgebracht ist und aus dem gleichen Metall
wie die Bahn 66 besteht. Schließlich ist das Widerstands element Rz2 an eine zweite
dieser Anschlußflächen 68 angeschlossen.
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Die Fig., 3 bringt in schematischer Darstellung die Wiedergabe eines
Schnittes längs der Linie 3-3 aus Fig. 1, benachbart zum Widerstandselement R1.
Die Widerstandselemente R1 bis R4 sowie die Elemente 32 bis 68 sind vorzugsweise
durch Anwendung eines einzigen, vierschichtigen Aufbaus und Bearbeitung mittels
photolithographischen Maßnahmen zur Herausbildung
der Geometrie
der Widerstandselemente und der Zuleitungen auf der Oberfläche 26 des Verformungsteils
10 aufgebracht worden. Im Anschluß an eine geeignete Reine uns dieses Abschnittes
12 des Verformungsteils 10 sind nacheinander auf der Oberfläche 26 eine elektrisch
isolierendc Schicht 70, eine Widerstandsschicht 72 und eine elektrisch leitfähige
Schicht 74 aufgebracht worden, so daß die gesamte Oberfläche 26 von drei übereinanderliegenden
Schichten bedeckt ist. Dann werden unter Anwendung einer geeigneten Photomaske Teile
derSchicht 74 weggeätzt, daß lediglich solche Abschnitte der Schicht 74 zurückbleiben,
welche zur Ausbildung des Zuleitungs- und Anschlußmusters, sowie zur Erzeugung der
Temperaturkompensations-Widerstandselemente benötigt werden. Anschließend werden,
unter Anwendung einer anderen geeigneten Photomaske, Teile der Schicht 72 weggeätzt,
so daß von dieser Schicht 72 lediglich solche Abschnitte zurückbleiben, die zur
Ausbildung der Widerstandselemente R1, R2, R3 und R4 benötigt werden, welche über
ihre entsprechenden Zuleitungen miteinander verbunden sind. Wie das in Fig. 3 dargestellt
ist, besteht tatsächlich jede Zuleitung und jedes Temperaturkompensations-Widerstandselement
aus zwei übereinanderliegenden Schichten von übereinstimmender Geometrie, von denen
die obere Metallschicht aus der Schicht 74 zurückgeblieben ist, und die untere Widerstandsmaterialschicht
aus der Schicht 72 zurückgeblieben ist. Vorzugsweise wird oberhalb der gesamten
Beanspruchungsmesseranordnung eine Passivierungsschicht
76 vorgesehen,
in der geeignete (nicht dargestellte) Öffnungen oder Durchgänge ausgespart werden,
um einen Zugang zu den Anschlußflächen 40, 44 (2), 54, 64 und 68 (2) zu erzeugen.
Die Abscheidung und Aufbringung der Beanspruchungsmesser-Meßbrücke ist im einzelnen
in der deutschen Patentanmeldung P der gleichen Anmelderin beschrieben, deren Inhalt
mit dieser Bezugnahme, soweit erforderlich, auch zum Bestandteil der vorliegenden
Anmeldung gemacht werden soll. Darüberhinaus ist für Fachleute ersichtlich, daß
auch andere Formen der Herstellung möglich sind, ohne vom Gegenstand der vorliegenden
Erfindung abzuweichen.
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Die isolierende Schicht 70 kann aus Ta205 bestehen; die Widerstandsschicht
72 kann aus einem üblichen Cermet-Material bestehen ('Cermet" bezeichnet einen metallkeramischen
Werkstoff oder einen Keramik-Metall-Verbundwerkstoff); schließlich kann die elektrisch
leitende Schicht 74 aus Gold bestehen.
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Darüberhinaus sind jedoch auch andere geeignete Materialien möglich,
wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Fosterit für die isolierende Schicht 70, Nichrom,
MOSI oder CI für die Widerstandsschicht 72 und Nickel für die elektrisch leitende
Schicht 74. Im einzelnen besteht hinsichtlich der Materialien für einerseits die
Widerstandsschicht 72 und andererseits die elektrisch leitende Schicht 74 aiejenige
Bedingung, daß das Material der Widerstandsschicht 72 einen Wärme-Widerstands-Koeffizienten
von entgegengesetzter Polarität bzw. algebraischem Vorzeichen zu demjenigen des
Materials der elektrisch leitenden Schicht 74 aufweist.
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Bei der Benutzung eines solchen Meßgrößenumformers wird der bewegliche
Abschnitt 14 unter der Wirkung der einwirkenden Kraft nach oben verformt bzw. abgebogen.
Der Brükkenschaltung wird elektrische Energie über die Anschlußflächen 40, 64 zugeführt,
während die von der Brückenschaltung erzeugten Ausgangssignale in bekannter Weise
über die Anschlußflächen 54 und 44 bis 68 abgenommen werden.
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Sollte sich die Temperatur der verschiedenen Widerstandselemente gegenüber
demjenigen Wert verändern, bei welchem der Meßgrößenumformer kalibriert bzw. geeicht
worden ist.
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dann verändern sich die Widerstandswerte der Elemente R1 bis R4 in
einer Richtung, und die Widerstandswerte der Widerstandselemente R51 und R52 sowie
der Widerstandselemente Rz1 und/oder Rz2 (in der Schaltung links dargestellt) verändern
sich in der anderen Richtung. Der bestimmende Faktor, ob die Widerstandselemente
Rz1 und Rz2 in der Schaltung verbleiben, oder im Verlauf der Kalibrierung elektrisch
kurzgeschlossen oder überbrückt werden, hängt von den Anforderungen an die Nulleinstellung
der Kalibrierung ab.
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Die Änderungen der Widerstandswerte in den Widerstandselementen X81
und Rs2 wirken dahingehend, eine relativ konstante Brückencharakteristik oder einen
entsprechenden Meßfaktor aufrechtzuerhalten; demgegenüber wirken die Änderungen
der Widerstandswerte der Widerstandselemente Rz1 und/oder Rz2 dahingehend, eine
relativ konstante Nulleinstellung aufrechtzuerhalten, sofern keine Kraft bzw. Belastung
einwirkt, selbst wenn Temperaturschwankungen auftreten.
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Bei der dargestellten Ausführungsform befinden sich die Widerstands
elemente Rs1 und R82 in dem zur Brückenschaltung führenden Schaltungseingang; man
könnte diese Widerstandselemente R51 und R52 jedoch auch in dem von der Brückenschaltung
wegführenden Schaltungsausgang vorsehen, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In gleicher Weise befinden sich bei der dargestellten Ausführungsform die Widerstandselemente
Rz1 und Rz2 in Reihe geschaltet mit den Beanspruchungsmesser-Widerstandselementen
in den Zweigen der Brückenschaltung; diese Widerstandselemente Rz1 und Rz2 könnten
jedoch auch parallel zu diesen Beanspruchungs-Widerstandselementen geschaltet werden,
was ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfaßt ist. Ferner ist die Erfindung
nicht auf die dargestellte Form der Temperaturkompensations-Widerstandselemente
mit serpentinenförmiger Geometrie beschränkt, vielmehr könnten auch andere geometrische
Normen und Anordnungen vorgesehen werden.
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Beispielsweise besteht ein alternativer Weg zur Beeinflussung der
Widerstandswerte der Temperaturkompensations-Widerstandselemente in einer Veränderung
der Schichtdicke der Goldschicht.
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Wie dargelegt, ist die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform
erläutert worden. Für Fachleute ist ersichtlich, daß eine Reihe von Abänderungen
und/oder Modifizierungen der tatsächlich beschriebenen Ausführungsform vorgenommen
werden kann, ohne vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen, wie er mit den Ansprüchen
und deren Äqulvalenten
umrissen ist. Derartige Abänderungen und/oder
Modifizierungen sind daher ebenfalls von dieser Erfindung erfaßt.