DE69003763T2

DE69003763T2 - Membran-Deformationsmessvorrichtung.

Info

Publication number: DE69003763T2
Application number: DE90420354T
Authority: DE
Inventors: Henri Varacca
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2010-07-24
Also published as: FR2650389B1; FR2650389A1; EP0410910A1; EP0410910B1; DE69003763D1; US5092177A

Description

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.
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.
Der Stand der Technik in diesem Gebiet wird in Verbindung mit den Fig. 1A bis 1D erläutert.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
V VO + EO [Δr2 - Δr1 + Δr4 - Δr3] / 4r0 (1)
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.
Eine derartige Vorrichtung liefert ausreichende Ergebnisse.
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.
Ähnliche Probleme stellen sich bei einer Vorrichtung mit gegenüberliegenden zentralen Sensoren, wie diese in FR-A-24 38 829 beschrieben ist.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf dem Effekt der thermischen Hysterese beruhenden Fehler zu eliminieren.
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.
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.
Die Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden näher in der folgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Figuren erläutert:
Die Fig. 1A bis 1D dienen zur Illustration des oben beschriebenen Standes der Technik;
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
die Fig. 2C zeigt eine Brückenschaltung der verwendeten Fühler gemäß der Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Deformationen einer elastischen Membran (1), die an ihrer Peripherie mit einem Träger (2) verbunden ist und auf der vier Fühler ausgebildet sind, die aus einer dicken Schicht eines piezoresistiven Materiales bestehen und als Wheatstone-Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Fühler auf beiden Seiten der Membran mit auf jeder Seite einem Fühler (R3, R4) in der Nähe des Zentrums angeordnet sind , dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung außerdem auf jeder Seite einen Fühler (R1, R2) in der Nähe der Peripherie aufweist, wobei ein zentraler Fühler und der periphere Fühler auf der gegenüberliegenden Seite in gegenüberliegenden Zweigen der Brücke gelegen und zwei Fühler auf der gleichen Seite mit ihrem Verbindungspunkt an eine Versorgungsquelle der Brücke geschaltet sind.

2. Vorrichtung zum Messen der Deformationen einer Membran nach Anspruch 1, wobei die Membran und ihr Träger aus Keramik sind.

3. Vorrichtung zum Messen der Deformationen einer Membran nach Anspruch 1, wobei der Träger eine mit einer pneumatischen Schaltung verbundene Kammer bildet, so daß die Membran sich als Funktion der Änderungen des Druckes auf ihre beiden Seiten deformiert, und die Vorrichtung einen Drucksensor bildet.