NL7907294A

NL7907294A - Drukmeter met een rekstrookopnemer.

Info

Publication number: NL7907294A
Application number: NL7907294A
Authority: NL
Original assignee: Magneti Marelli Spa
Priority date: 1978-10-12
Filing date: 1979-10-01
Publication date: 1980-04-15
Also published as: ES492940A0; DE2940441A1; GB2036424A; US4311980A; CH638045A5; ES8103375A1; FR2438829B1; PT70292A; ES484967A0; ES8206025A1; GB2036424B; FR2438829A1

Description

* ïr.f -1- T93^2/Ti/M/vL·

Aanvraagster: Fabbriea.Italiana Magneti Marelli S.p.A.

Via Guastalla 2, Milaan, Italië

Korte aanduiding: Drukmeter met een rekstrookopnemer

De uitvinding beeft betrekking op een drukmeter met een rekstrook-opnemer, en in het bijzonder van de soort met een aan de te meten druk onderworpen vervormbaar substraat met daarop een rekstrookje, en een elektrische keten, die in staat is de weerstandsveranderingen daarvan in over-5 eenstenming met de rek van het substraat vast te stellen.

In deze inrichtingen geeft de rek, die wordt-veroorzaakt door de uitoefening van een druk of belasting op het substraat, een verandering in de afmetingen van de weerstanden' en van de elektrische eigenschappen daarvan en dienovereenkomstig een verandering van de weerstandswaarde daarvan.

10 Een dergelijke, verandering wordt waargenomen door een met de weer standen verbonden elektrische of elektronische keten .ter verkrijging van signalen, die evenredig zijn met de rek van het substraat en dienovereenkomstig met de daarop uitgeoefende druk.

De bekende inrichtingen voor het meten van drukken of spanningen 15 gebruiken voor de rekopnemers metalen. draden, ononderbroken..metalen films, discontinue metalen films, cermets en. halfgeleiders.

Het effekt van de verandering in elektrisch weerstandswaarde van de genoemde elementen als gevolg van rek is bekend als "rekweerstand" of "piëzoweerstand".

20 Een ideale, rekopnemer moet uiteraard een belangrijk, piëzoweerstands- effekt met een lage warmteweerstandseffekt hebben. In het bijzonder moet het voor het eerste effekt (rekgevoeligheid) een hoge opneemfaktor GF = (waarin Ro en R resp. de weerstandswaarden zijn van de ongerekte S Ro ^ 1 en gerekte weerstanden en € = —— de relatieve verlenging van het ele- 25 ment is) hebben en voor het tweede effekt (thermische stabiliteit) moet het /\ voor zowel de temperatuurcoeffieient van de weerstand TCR = p a m (waarin —-— de relatieve weerstandsverandering is voor een temperatuursver ande-

ring Δ t) als voor de temperatuurcoeffieient van de opneemfaktor GF GF

——w—— (waarin ——— de relatieve verandering van GF is voor een Ur 1 Gr 30 temperatuursverandering Δ1) lage waarden hebben.

In het algemeen zijn de eigenschappen van bekende rekopnemers steek afhankelijk van de struktuur en samenstelling van de gebruikte weerstanden.

790 72 94 » — ♦ -2-

De waarden Tan de meest "belangrijke coëfficiënten Toor de "bekende rekopnemers van de voornoemde soort is in de hierna volgende tabel getoond.

. . . 1AB1L............

5 Weerstanden GF TCR TCGF Lange termijn .......ppm/°C.........ppm/?C......stabiliteit

Metaaldraden 2-5 20-4000 . 20-100 . Uitmuntend

Ononderbroken metaalfilms 2-5 20-4000 . 20-100 Goed 10 Onderbroken metaalfilms· 100' . 1000 --- Zeer slecht

Cermet 100 1000 --- Slecht

Halfgeleiders . 40-175 400-9000'.........200-5000.......Goed

Uit de vergelijking van de eigenschappen blijkt.,., dat discontinue 15 metaalfilms en. cermets geen. breed; toepassingsgebied kunnen hebben, tengevolge van de onvoldoende tijdafhankelijke stabiliteit van de elektrische en piëzoweerstandeigenschappen. Metaaldraden., en continue metaalfilms worden gebruikt indien de rekgevóeligheid (GF) geen kritische eis is maar een goed thermisch gedrag essentieel is (lage TCR en TCGF), terwijl half-20 geleiders worden gebruikt voor de hoge,rekgevóeligheid daarvan, hoewel tengevolge van.de hoge waarde van. TCR en TCGF het vaak noodzakelijk is uitgebreide en dure temperatuurccmpensatiemiddelen, daarbij..,te gebruiken.

Bij gebruik van .rekopnemers met.: een...mataalf ilm. of. halfgeleider is het verder moeilijk om een. goede aanpassing te. vinden tussen het substraat 25 en de·rekopnemer. Beide moeten,dezelfde, thermische, lineaire..uitzettings-coëfficiënt hebben.ter vermijding, van het.optreden van een. ogenschijnlijke rek (niet tengevolge van het optreden van. mechanische, rek) .tengevolge van de relatieve .verlengingen, door temperatuursveranderingen indien het substraat en de rekopnemer verschillende thermische uitzettingscoëffi-30 ciënten hebben.

De uitvinding heeft ten doel een. inrichting voor het meten van druk te verschaffen, waarin de rekstrookopnemer. een hoge rekgevóeligheid, een optimale thermische, stabiliteit,., en een zeer goede thermische en mechanische koppeling tussen de .weerstanden, en het.substraat heeft.

35 Daartoe wordt een rekopnemer gebruikt, die bestaat uit.een of meer dikke filmweerstanden die door middel van zeefdruk en inbranden op een geschikt substraat zijn aangebracht.

790 7 2 9 4 * -Jt -3-

De uitvinding wordt toegelieht aan. de hand van de tekening: fig. 1 is een per spektivisch, aanzicht; van een.eerste uitvoeringsvorm van een.weerstandsrekopnemer volgens de uitvinding; fig. 2 is een dwarsdoorsnede, van. een tweede uitvoeringsvorm; 5 fig. 3 is een bovenaanzicht , van. de rekopnemer volgens fig. 2; * fig. 4 toont de elektrische..keten (Wheatstone hrug) voor de bepaling van de op het substraat uitgeoefende druk; en fig. 5 is een variant op de uitvoeringsvorm volgens fig. 2.

In fig. 1 is een geschikt substraat 1 van bij-voorbeeld keramisch 10 materiaal getoond,, die aan een vrije rand. is ingeklemd en waarbij op de vrije rand de vast te stellen kracht. F wordt uitgeoefend.

Volgens de uitvinding bestaat een op. een dergelijk substraat aangebrachte rekstrookopnemerw uit. de dikke, filmweerstanden R^, R^ en Rg, R^, die door middel, van. zeefdruk’, en inbranden op de twee tegenovergelegen zij-15 den van het substraat en dicht bij de verbinding, zijn aangebracht.

Volgens de figuur, zijn de- weerstanden. R^ en R^ °p de bovenzijde van het substraat aangebracht' en zijn de. weerstanden R^ en R^'in de punten R^ en R^ op de onderzijde (niet getoond) aangebracht.

Tengevolge van de uitoefening van de kracht of last F wordt het 20 substraat onderworpen aan een neerwaartse doorbuiging, welke, vormverandering wordt overgebraeht naar de weerstanden R^, R^ en R^, R^, en die dienovereenkomstig de weer standswaarden, daarvan veranderd.

De weerstandswaarde van de weerstanden. R^ en R^ zullen, door de verlenging toenemen en de. weerstandswaarde van de weerstanden R^ en R^ zullen 25 door de inkorting af nemen.

Teneinde de weerstandsverandering van de weerstanden als gevolg van de vormverandering te bepalen en daaruit de. verantwoordelijke last F af te leiden worden de weerstanden R^, R^ en R^, R^ zoals getoond in fig. U in een Wheatstone brug opgenomen. De aan dezelfde soort vormverandering onder-30 hevige weerstanden worden, in tegenover gelegen, takken, van de brug opge-ncmen en de relatief opwaarts en neerwaarts, gerichte pijlen tonen de toename of afname» van de weerstandsverandering van de weerstanden aan. De weerstanden R.j, R^ en R2, R^ zijn dezelfde, zodat de brug bij een onvervormd substraat 1 (F=0) gebalanceerd is en geen signaal aan., de uitgang Vu ver-35 schijnt als een spanning aan de ingang Yi wordt gelegd.

Door uitoefening van een kracht op het substraat 1 (F^O) zal dit natuurlijk doorbuigen, raakt de brug uit balans en verschijnt een signaal 7907294 * · -liaan de .uitgang Vu., dat evenredig is met de weerstandsverandering van de . veerstanden en daar can van. de .vormverandering van .het substraat 1,'. d.v.z. van. de kracht F.

Tot nu toe was sprake van .een eenzijdig ingeklemde.,, ligger, maar het 5 is duidelijk, dat-het voorgaande eveneens geldt.in het geval.van een aan beide randen ingeklemde 'ligger , waarbij op het. middengedeelte een kracht wordt uitgeoefend. ·

In de. gewijzigde uitvoering volgens de. fig. 2 en 3 heeft het substraat de vorm van een cirkelvormig membraan 1’, die over...de .gehele rand 10' is ingeklemd en, waarop in het .midden, de kracht , F’ wordt uitgeoefend. In plaats van dat het membraan, aan. een. geconcentreerde last wordt onderworpen kan. het ook aan.een op het gehele, oppervlak, daarvan, uit te,.oefenen druk onderworpen, worden. In de gewijzigde, uitvoering, zijn. de .weerstanden R^' en R^' in.het. midden van.het membraan. aangebracht. · en,, worden verlengd, ter-15 wijl de. weerstanden R^'-en R^’ zich. eveneens aan. dezelfde zijde bevinden echter bij de buitenomtrek van. het „membraan..en. ingedrukt worden.

De booghoek tussen, de weerstanden, en R^’ langs de omtrek kan indien gewenst.en zoals getoond in fig. 3 bij voorbeeld 90° bedragen.

De weerstanden R^' en R^! kunnen volgens, fig. 5 bij de weerstanden 20 R^' en R^' in het midden opgenomen worden, aan, de.andere zijde van het substraat 1f.

Afhankelijk van de richting.; van. de uitgeoefende kracht F1' zullen de weer standswaarden! van. de .weer standen R^ *., R^* en Rg', Rj^* net. zo variëren als die van. de overeenkomende weerstanden R^, R^ en.R^,. R^ in fig. 1. 25 Zowel in het geval.van. de. struktuur-volgens, fig. 1 of die volgens de fig. 2 en 5 kan ter verbetering van de,rekgevoeligheid..het aantal en de opstelling van de. weerstanden gewijzigd worden.. De weerstanden worden daarom in die posities geplaatst, waarbij, de maximale, rek van-het substraat verkregen wordt.

30 In het geval van een aan de rand ingeklemd, membraan, is het echter nuttig indien ter verkrijging' van. een maximale, gevoeligheid,van de inrichting zelfs in het geval dat het. membraan niet ..volledig aan de, rand is ingeklemd, alle weerstanden volgens fig'. 5 in het.middengedeelte worden opgenomen.

35 Hiervoor was sprake van kraehtèn F en. Ff, die aan. een zijde van de substraten 1 èn 1 ’ werden uitgeoefend maar het is duidelijk, dat deze krachten het resultaat kunnen zijn van aan de twee zi jden van .het substraat tegengestelde krachten, waarbij het door de Wheatstone brug afgegeven 7907294 -5- * -y signaal "betrekking heeft op verschilkrachten. of -drukken.

De rek- en drukopnemers volgens de fig. 1, 2 en 5 geven, een fabri-kageverhetering van deze soort opnemers.

Zoals eerder gezegd bestaat het. actieve, gedeelte, van het rekstrook-5 element uit dikke filmveer standen, die door middel van. zeef druk op isolerende substraten zijn aangebracht, en een warmtebehandeling ondergaan volgens bekende werkwijzen bij de verkrijging van, dikke filmveer standen voor bybridemicroketens. Er zijn ter verkrijging van dikke, filmveer standen met een geschikte rekgevoeligheid vele voor.. zeef druk toepasbar e inktsoor-10 ten beschikbaar.

In het algemeen hebben zij een dielektrische component en een geleidende component. De dielektrische component of het bindmiddel kan bestaan uit boriumsilicaat,. loodboriumsilicaat,. aluminiumsilicaat of een glassoort met loodsilieaat met eventueel kleine oxydetoevoegingen zoals CdO, CagO^, 15 A12°3 etc‘

De geleidende component kan een edelmetaal-(Ag, Au, Pd), een oxyde of een legering daarvan (zoals PdO, PdO/Ag), of een geleidende oxyde van edelmetaal (zoals RuOg, Bi^Ru^Cy, Rb^RUgOg, TiOg, IrOg, etc.) zijn.

De piëzoweerstandseigensehappen zijn voer weerstanden, bestaande uit 20 verschillende inktsoorten vastgesteld en er is gebleken, dat hoe lager de concentratie van de geleider in de inkt is des te hoger de weerstands-waarde van de.weerstand en.de opneemfaktor. van het verkregen.rekstrookje zijn.

De dikke filmveer standen, hebben, een goede opneemf aktor, bij voor-25 beeld GF = 10-15a een lage thermische, coëfficiënte van de weerstandswaarde TCR ^ 30-200. ppm/°0 en een lage thermische coëfficiënte van de opneem-faktor TCGF ^ 100-Uoo ppm/°C met. een zeer goede stabiliteit en hoge ver-moeidheidsgrens voor vele rekperioden.

De rekgevoeligheid (GF) ligt daarom midden tussen die van rekstrook-30 jes met metaaldraden met de laagste en die van rekstrookjes van halfgeleiders met de hoogste gevoeligheid.

De temperatuurstabiliteit (TCR, TCGF). is verder vergelijkbaar met die van de meer stabiele metaaldraden en is duidelijk beter dan. die van halfgeleiders.

35 Een voordeel bij het gebruik van door middel van zeefdruk verkregen weerstanden is, dat zij een positieve waarde, van de opneemf aktor hebben indien zij ten opzichte van de weerstandsrichting aan transversale en 790 72 9 4 r + -6- longitudinale vormveranderingen- onderworpen worden.. De in het midden van het membraan-in eendrukmeeteenheid met een.membraan (fig.. 2. en 5) aangebrachte weerstanden,. die-tegelijkertijd, onderworpen, worden aan transversale en longitudinale rek zullen.daaram. de.. rekgevoeligheid daarvan ver-5 dubbelen.

De rekstrookjes kunnen, gevormd worden door. de weerstanden op verschillende substraten-met verschillende., mechanische, eigenschappen aan te brengen. Verschillende ker.amieksoorten, zoals aluminiumoxyde,. beryllium-oxyde, zirkoonoxyde alsook geëmailleerde.metaalfolies .zijn. voor dit doel 10. geschikt.

Hierna volgen enkele voorbeelden, van het gedrag van de druk- en rek-meeteenheden.

Door op.de vrij liggende, struktuur van. fig. 1 een. zodanige kracht uit te oefenen, dat een maximale.·. r.ek. van. 2000 ^uram/mm in de. vier in een 15 brug opgenomen. weerstanden optreedt, wordt een uitgangssignaal bij Vu van 25-30 mV/V verkregen met boriumsiliciumoxyde en Bi^ïh^O^,. glasweerstanden met. een soartelijke doorsnedeweerstand.van 10. k JX/Q. Door op de membraanstruktuur in de fig. 2 èn 5 een ..zodanige druk. uit te oefenen, dat aan de randen van. het membraan een.rek van. 2000 ^umm/mm.wordt opgewekt, 20 wordt bij gebruik van vier in. een brug opgenomen weerstanden. een uitgangssignaal van 25-30 mV/V- verkregen bij .gebruik van. boriumsiliciumoxyde en BigRUgO^.. glasweerstanden.met een. soartelijke doorsnede, weerstand van 10. k XL/□ . De belangrijkste voordelen van.de uitvoeringsvorm van de rek- en drukopnemers volgens de uitvinding kunnen, als volgt worden samen-25 gevat.

Tussen de rekopnemer en. de ligger.· of het membraan is geen bindmiddel nodig omdat.de piëzo afhankelijke weerstand direkt.door middel van zeefdrukken op het als ligger of membraan dienende, substraat ,is aangebracht. Bovendien wordt voor de uitzettingscoëfficiënten., van. de substraten en de 30 door middel van.zeefdruk verkregen weerstanden een goede, aanpassing verkregen.

Ook bestaat - de mogelijkheid. om de. weer standswaarden, van de door middel, van zeefdruk verkregen en.met. warmte..behandelde weerstanden (of door middel van dezelfde, techniek verkregen, compensatieweerstanden die 35 niet aan de rek onderworpen worden en. die parallel of in serie met een van de brugzijde zijn opgenomen) door middel, van .laser- of zandstraling bij te regelen teneinde een uitgangsspanning ter waarde nul van de Wheatstone 7907294 -7- brug te verkrijgen, hij afwezigheid van op het substraat, .uitgeoefende rek of druk. Bij afwezigheid van rek- kunnen, uitgangssignalen £ 100 ^uV/V waarneembaar van de Wheatstone brug .verkregen worden.

Tenslotte. kunnen bruggen met in- en uitgangsimpedantie binnen een 5 breed waardegebied verkregen worden door de juiste keuze, van de .geometrie en de soortelijke doorsnedeweerstand van da weerstanden.

De werkwijze ter verkrijging van.rekstrookjes, die gelijk is aan die van hybrideketens. voor,miero-elektronika,.. is. tamelijk-eenvoudig en goedkoop en dienovereenkomstig geschikt voor een grote .produktie-omvang.

10 De bovenbeschreven, eenheid voor·, de meting van druk of de drukopne- mer wordt natuurlijk in. al die. gevallen, toegepast waar een., rekopnemer met een hoge gevoeligheid en een zeer. goede thermische stabiliteit vereist is.

Zij kan daarom met voordeel, toegepast worden, bij automobielen ter besturing van. de. inspuiting, ontsteking, fasebesturing en. voor hydraulische 15. inrichtingen.

Tot nu toe is sprake .geweest van .een drukopnemer maar de uitvinding heeft eveneens betrekking op een. rekstr ook je zelf,, waarbij gebruik gemaakt wordt van. dikke, filmveer standen voor het meten, en regelen van fysische grootheden, zoals rek, druk, kracht, of last, draaimoment, etc.

7907294

Claims

1. Inrichting voor de meting van druk van de soort omvattende een door de te meten druk. "beïnvloed substraat,-waarop een. rekstrookje is aangebracht, en een elektrische keten voor de vaststelling van de weerstandsverandering van de weerstanden.als funktie van.de.substraatvervorming» met het ken- 5 merk, dat het rekstrookje. uit door zeefdrukken, op het substraat aangebrachte , dikke. filmweerstanden bestaat,

2. Inrichting volgens conclusie. 1, met het kenmerk,, dat de dikke filmweer standen aan een of aan beide zijden: van het substraat.en in rekgevoe-lige posities zijn aangebracht.

3. Inrichting, volgens .de voorgaande conclusies., met het kenmerk, dat het substraat, de ..vorm heeft .van., een. eenzijdig ingeklemde, ligger en een paar weerstanden aan. een zijde., en. in. de nabijheid. van,, de verbinding van de in-geklemde ligger op het substraat is. aangebracht, terwijl een. ander paar aan de tegenovergelegen zijde, daarvan, is aangebracht (fig. 1). 15 b. Inrichting volgens conclusie. 1 en. 2, met het. kenmerk,, dat het substraat de vorm heeft van. een aan de rand ingeklemd.membraan, en dat een paar weerstanden aan-een zijde van het substraat in het middengedeelte is aangebracht, terwijl de weerstanden van een andere paar langs de rand van het membraan zijn opgenamen (fig. 2 en 3).

5. Inrichting volgens conclusie 1 en. 2,-met het kenmerk, dat het sub straat de vorm. heeft van een aan.de rand. ingeklemd membraan, en dat een paar weerstanden aan een zijde van. het: substraat in het middengedeelte is aangebracht en een andere .paar in. de tegenovergelegen positie, op de andere zijde van het substraat is aangebracht (fig. 5)·

6. Inrichting volgens de voorgaande conclusies,, met het kenmerk, dat de dikke filmweerstanden. door middel van een. voor zeefdruk geschikte inktsoort met als basis bestanddelen..een of meer van de volgende elementen: RuOg, IrOgj TiOg, Bi^Eu^Oj, Fb^RUgO^.., Au, Ft, Pd en mengsels daarvan in een diëlektrische grondmassavzoals, borosilieiumoxydeglas,- aluminiumsilicium- 30 oxyden, loodboriumsiliciumoxyden, loodsiliciumoxyden en dergelijke zijn verkregen.

7. Inrichting volgens de voorgaande, conclusies., met het kenmerk, dat het substraat uit keramisch materiaal,., in..het bijzonder uit aluminiumoxyde, berylliumoxyde, zirkoonoxyde öf uit geëmailleerde metaten bestaat.

8. Rekstrookje, met het kenmerk, dat de weerstanden door middel van zeefdrukken en inbranden van geschikte inktsoorten zijn gevormd. 7907294