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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
Messen der Deformationen einer Membran, wobei diese
Deformationen aus einem physikalischen Phänomen resultieren,
z.B. einer Druckänderung auf eine der beiden Seiten dieser
Membran oder einer Beschleunigung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich speziell auf solche
Meßvorrichtungen, bei denen die Detektion der Deformationen
durch piezoresistive Sensoren erreicht wird, die aus einer
dicken Schicht eines piezoresistiven Materials (mit einer Dicke
in der Größenordnung von 10 Mikrometern) bestehen, die z.B. mit
Hilfe der Serigraphie oder mit einem Tintenstrahl aufgebracht
wird.
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Der Stand der Technik in diesem Gebiet wird in Verbindung mit
den Fig. 1A bis 1D erläutert.
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Ein typischer Membransensor weist eine elastische Membran 1
auf, die längs ihres kreisförmigen Umfangs mit Hilfe einer
Schmelzverbindung auf einem Träger 2 gehalten wird. Die Membran
ist ebenso wie der Träger z.B. aus keramischem Al&sub2;O&sub3;.
Vorrichtungen dieser Art werden allgemein für die Druckmessung
verwendet, um vorhandene Druckunterschiede zwischen den beiden
Seiten der Membran zu detektieren.
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Unter der Wirkung eines Druckes verformt sich nämlich die
Membran und die (einfachen oder doppelten) piezoresistiven
Fühler werden auf der Membran angeordnet, um damit die
Deformationen zu messen.
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Bei einer klassischen Ausbildung sind vier Fühler vorgesehen,
wobei zwei von ihnen, r1 und r3, an der Peripherie und zwei
weitere, r2 und r4, in der Nähe des Zentrums der Membran
plaziert sind. Diese vier Fühler liegen auf der gleichen Seite
der Membran, da man allgemein annimmt, daß dieses die
Herstellung erleichtert und eine bessere Justage der vier
Fühler bei gleichen Werten erlaubt, insbesondere, da diese aus
demselben Ablagerungs- und Herstellungsprozeß stammen.
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Ein Beispiel eines derartigen Fühlers ist in Aufsicht in Fig.
1C dargestellt. Die piezoresistive Substanz 4, die als dicke
Schicht aufgebracht ist, wird zwischen zwei vorher
aufgebrachten Metallisierungen 5 und 6 plaziert. Die
Dimensionen des Fühlers sind in der Größenordnung von
Millimetern. Es handelt sich hierbei um ein speziell
vereinfachtes Beispiel eines Fühlers, wobei jedoch der Fachmann
verschiedene genauer ausgearbeitete Fühler verwenden kann.
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Die Fühler sind allgemein in einer Wheatstone-Brücke
entsprechend Fig. 1D gelegen. Die beiden Fühler r1 und r3, die
an der Peripherie der Membran gelegen sind, liegen sich in der
Brücke gegenüber ebenso wie die beiden im Zentrum gelegenen
Fühler. Wenn die vier Fühler r1 bis r4 den gleichen Widerstand
r0 haben und ein Voltmeter V in eine Diagonale der Brücke
geschaltet und eine Versorgungsspannung E an der anderen
Diagonale anliegt, dann erhält man eine Spannung Null.
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Bei einer Deformation ändern sich die Widerstandswerte der
Fühler r1 und r3 in einem ersten Sinne, die Widerstandswerte
der Fühler r2 und r4 im entgegengesetzten Sinne. Wenn Δr die
Änderung des Widerstandswertes eines Fühlers darstellt, dann
wird die detektierte Spannung V folgendermaßen sein:
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V VO + EO [Δr2 - Δr1 + Δr4 - Δr3] / 4r0 (1)
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VO bezeichnet hierbei eine üblicherweise konstante
Fehlerspannung, die man durch Justage der Dimensionen der
einzelnen piezoresistiven Schichtabschnitte und/oder durch
externe regelbare Widerstände sehr gering halten kann, die
gegebenenfalls an der Peripherie der Membran an Orten gebildet
werden, wo sie keinen Spannungen ausgesetzt und nach der
Montage der Membran auf ihrem Träger zugänglich sind.
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Eine derartige Vorrichtung liefert ausreichende Ergebnisse.
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Um Druckmessungen zu erhalten, die unabhängig von Änderungen
der Temperatur sind, wird zur Durchführung der Messungen die
Vorrichtung auf einer Solltemperatur gehalten. Gleichwohl
stellt sich ein Hysteresephänomen aufgrund thermischer
Änderungen ein. Tatsächlich wirken während Temperaturzyklen
Restspannungen auf die Widerstände, wobei diese Restspannungen
unterschiedlich sind, je nachdem ob die Solltemperatur
ausgehend von einem höheren Temperatur- oder einem niedrigeren
Temperaturwert erreicht wird. Darüberhinaus ist diese Hysterese
für die peripheren Fühler nicht die gleiche wie für die
zentralen Fühler. Dies beruht auf der an sich bekannten
Tatsache, daß für periphere Fühler und für zentrale Fühler die
Beziehung zwischen der transversalen und der longitudinalen
Empfindlichkeit nicht dieselbe ist. Wenn man daher die obige
Gleichung (1) heranzieht und darüberhinaus
Widerstandsänderungen aufgrund von Deformationen
berücksichtigt, wird man eine zusätzliche Widerstandsänderung
aufgrund der thermischen Geschichte des Fühlers erhalten. Diese
Differenz kann nicht dadurch eliminiert werden, daß sie
einerseits für die zentral gelegenen Fühler r2 und r4 und
andererseits für die peripheren Fühler r1 und r3 im gleichen
Richtungssinn liegt. Diese Hysterese ist dann nicht
tolerierbar, wenn man Genauigkeiten von besser als einem
Prozent erreichen will.
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Ähnliche Probleme stellen sich bei einer Vorrichtung mit
gegenüberliegenden zentralen Sensoren, wie diese in FR-A-24 38
829 beschrieben ist.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man beim Stand der Technik
verschiedene Lösungen versucht, insbesondere im Hinblick auf
die Form der Fühler, das Material der dicken piezoresistiven
Schicht und der Ablagerungs- und Verbindungsprozesse.
Gleichwohl haben diese Versuche keine zufriedenstellenden
Ergebnisse gebracht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf
dem Effekt der thermischen Hysterese beruhenden Fehler zu
eliminieren.
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Um diese Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung eine Vorrichtung
zum Messen der Deformationen einer elastischen Membran vor, die
an ihrer Peripherie mit einem Träger verbunden ist und auf der
vier Fühler ausgebildet sind, die aus einer dicken Schicht
eines piezoresistiven Materials bestehen und als Wheatstone-
Brücke miteinander verbunden sind; die Fühler sind auf beiden
Seiten der Membran mit auf jeder Seite einem Fühler in der Nähe
des Zentrums und einem in der Nähe der Peripherie angeordnet;
ein zentraler Fühler und der periphere Fühler auf der
gegenüberliegenden Seite sind in gegenüberliegenden Zweigen der
Brücke gelegen und zwei Fühler auf der gleichen Seite sind mit
ihrem Verbindungspunkt an eine Versorgungsquelle der Brücke
geschaltet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
bildet der Träger eine mit einer pneumatischen Schaltung
verbundene Kammer, so daß die Membran sich als Funktion der
Änderungen des Druckes auf ihre beiden Seiten deformiert und
die Vorrichtung einen Drucksensor bildet.
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Die Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden näher in der folgenden Beschreibung eines
speziellen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Figuren
erläutert:
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Die Fig. 1A bis 1D dienen zur Illustration des oben
beschriebenen Standes der Technik;
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die Fig. 2A und 2B zeigen einen schematischen Schnitt bzw. eine
schematische Aufsicht einer Membran, die mit piezoresistiven
Fühlern gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist;
und
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die Fig. 2C zeigt eine Brückenschaltung der verwendeten Fühler
gemäß der Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine elastische Membran 1
wie beim Stand der Technik mit einem peripheren Träger
verschmolzen. Hingegen sind die Fühler nicht mehr alle auf
derselben Seite der Membran, sondern auf beiden Seiten
angeordnet. Somit befinden sich auf der oberen Seite der
Membran ein peripherer Fühler R1 und ein zentraler Fühler R4
und auf der unteren Seite der Membran ein peripherer Fühler R2
und ein zentraler Fühler R3. Diese Fühler sind in einer
Brückenschaltung entsprechend der Darstellung in Fig. 2C
angeordnet, d.h. daß jeweils der periphere Fühler auf einer
Seite (R1 oder R2) in einem Brückenzweig gelegen ist, der
demjenigen mit dem zentralen Fühler der gegenüberliegenden
Seite (R3 oder R4) gegenüberliegt.
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Aufgrund der Anordnung der Fühler auf gegenüberliegenden Seiten
können deren charakteristischen Eigenschaften, die aus
unterschiedlichen Ablagerungsprozessen resultieren, geringe
Abweichungen voneinander aufweisen, wobei jedoch die Fühler auf
ein- und derselben Seite die gleichen charakteristischen
Eigenschaften zeigen. Es ist daher möglich, durch klassische
Justierungsprozesse entsprechend dem Stand der Technik, im
Ruhezustand für die auf ein- und derselben Seite gelegenen
Fühler R1 = R4 und R2 = R3 mit denselben piezoresistiven und
thermischen charakteristischen Eigenschaften zu erhalten. Man
erhält dann bei Abwesenheit von Spannungen eine ausgeglichene
Brückenschaltung, da das Produkt R1 x R2 = R2 x R4 ist. Bei
einem Blick auf die Gleichung (1) sieht man, daß dann, wenn
noch Restspannungen aufgrund der thermischen Geschichte der
Vorrichtung vorhanden sind, deren Auswirkungen für die
zentralen Fühler einerseits und für die seitlichen Fühler
andererseits identisch sind und sich daher aufheben.
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Die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung wurde bei
Realbedingungen getestet und es hat sich gezeigt, daß sie die
vorausgesehenen Resultate liefert, selbst wenn die Vorrichtung
so behandelt wurde, daß unter der maximalen zu messenden
Spannung die Auslenkung der Membran gegenüber deren Dicke nicht
mehr vernachlässigbar war.
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Obwohl die vorliegende Erfindung oben im wesentlichen im
Zusammenhang mit einer Anwendung als Drucksensor beschrieben
wurde, kann eine deformierbare Membran gemäß der Erfindung auch
für andere Anwendungen herangezogen werden, z.B. zur Messung
von Beschleunigungen.
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Die vorliegende Erfindung kann durch verschiedene Varianten und
Modifikationen durch einen Fachmann abgeändert werden, der
insbesondere die Form der Fühler und das Material der dicken
piezoresistiven Schicht auswählen kann. Darüberhinaus ist die
vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführung
beschränkt, in der die Fühler auf beiden Seiten der Membran
wechselseitig gegenüberliegen. Ein Fachmann kann frei die
Anordnung der Fühler wählen, solange sich auf jeder Seite ein
im wesentlicher zentraler und ein im wesentlichen peripherer
Fühler befindet. Man könnte selbstverständlich auch auf der
Membran zusätzliche Fühler plazieren, die z.B. für die Messung
der Temperatur bestimmt sind.