DE1802669A1

DE1802669A1 - Messumformer

Info

Publication number: DE1802669A1
Application number: DE19681802669
Authority: DE
Inventors: Gerald Vick
Original assignee: Conrac Corp
Current assignee: Conrac Corp
Priority date: 1967-10-27
Filing date: 1968-10-11
Publication date: 1969-04-30
Also published as: BE721983A; DE1802669B2; GB1249878A; US3456226A

Description

CONRAC CORPORATION, New York, Staat New York (V.St.A.)

Meßumformer

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßumformer, der aus einer Vielzahl von Piezowiderstands-Spannungsmeßelementen aufgebaut ist, welche an einer bestimmten Stolle (in situ) in einer dünnen Schicht eines geeignet dotierten oder angereicherten kristallinen Siliziums auf einer Oberfläche einer leicht flexiblen Membran aus einem sehr ähnlichen Material gebildet sind. Derartige Meßumformer werden zum Messen von mechanisch oder durch Strömungsmitteldruck ο«dgl. hervorgerufenen Kräften verwendet.

Wenn eine flexible Membran an ihrem Umfang starr gehalten wird und eine Querkraft in der Mitte der Membran

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auf eino ihrer Seitenflächen itfirksam wird, so ergibt sich eine Hembrandurchbiegung mit zwei konzentrischen, gegensätzlich gekrümmten Zonen. Ein auf der einen Oberfläche der Membran mit seiner Achse höchster Empfindlichkeit radial angebrachtes Spannungsmeßelement ergibt ein Signal einer bestimmten Polarität bei Anbringung in der einen Zone und die andere Polarität bei Anbringung in der anderen Zone. Es ist bekannt, vier Piezowiderstandselemente auf einem Membrandurchmesser anzuordnen, wobei zv/'. in jeder Zone vorgesehen sind, und diese Elemente derart zu einer Wbeatotonatechen Brücke zusammenzuschalten, daß sich ihre Ausgänge wirksam addieren.

Temperatur- und Hystereseprobleme werden bei der Anordnung solcher Spannimgsmößelemente weitgehend vermieden, indem man eine Siliziumscheibe als Membran verwendet und die vier SpannungsEießelemente einteilig in oder auf der Membranoberfläche in solcher Weise ausbildet, daß die Meßelemente von dem Membrankörper elektrisch isoliert sind. So kann die Membran beispielsweise einen Einkristall aus Silizium eines Leitfähigkeitstyps aufweisen, wobei die Meßelemente durch Diffusion oder ein Mesa- oder ein Epitaxieverfahren mit entgegengesetzte« Leitfähigkeitstyp ausgebildet sind, und zwar derart, daß die elektrische Isolierung durch einen p-n-über»

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gang erreicht wird. Dabei wird die Membran gewöhnlich aus einem Silizium-Einkristall mit solcher Orientierung bezüglich der Kristallachsen ausgeschnitten, daß eine ßichtung des maximalen Längs-Piezowiderstands parallel zur Membranebene für den Leitfähigkeitstyp liegt, der für die Spannungsmeßelemente vorgesehen ist. Die vier Elemente werden sodann längs einem Durchmesser parallel zu dieser Richtung angeordnet.

Ein Nachteil dieser bekannten Meßumformerausbildung ist darin zu sehen, daß die Spannungsaeßelementa notwendigerweise auf einen relativ kleinen Oberflachenbereich der Membran beschränkt sind. Besonders dann, wenn der Membrandurchmesser relativ klein gehalten werden soll, können nicht mehr als vier Spannungsmeßelemente auf einer Membran angebracht werden. UIe radiale Länge eines jeden Elements ist durch die radiale Abmessung derjenigen Spannungszone begrenzt, in der es angeordnet ist. Auch sind die Querabmessungen eines jeden Spannungsmeßelements beschränkt, da insbesondere seine Kantenbereiche geringere Wirksamkeit haben, denn sie liegen in einem Gebiet, in dem die radiale Spannung mit der Kristallrichtung maximaler Empfindlichkeit einen beachtlichen Winkel bildet. Es ist daher schwierig, solche Spannungsmeßelemente derart auszubilden, daß sie höchste Ansprechempfindlichkeit mit einer entsprechenden Be-

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lastbarkelt verbinden«

Der Erfinder hat erkannt, daß eine Verbesserung der be* schriebenen Meßumformer vor allem durch Änderung der Anordnung der Spannungsmeßelemente auf der Meebranoberflache möglich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Zahl der auf einer bestimmten Membranoberfläche zweckmäßig anbringbaren Widerstands* bzw. Spannungemeßelemente zu erhöhen bzw. die Kembranfläche weitgehender auszunutzen, wodurch eine höhere Belastbarkeit und eine größere Signalstärke erreicht werden können.

Ausgehend von einem Meßumformer mit einer flachen, kreisförmigen Membran, die entsprechend der Größe einer angelegten Querkraft nachgiebig ausgeführt let, mit einem ringförmigen, die Membran längs ihres Umfange starr haltenden Trägerbauteil sowie mit einer KraftübertraguBgsvorrlchtung, welche eine die Membran auelenkende Kraft im Mittelbereich der Membran quer zu deren Ebene in Angriff bringt, wobei konzentrische innere und äußere Membranzonen mit gegensätzlichen Spannungen entstehen, schlägt die Erfindung zur Lösung der gestellten Aufgabe vox,., daß in Jeder dieser Zonen auf einer Membranober- ' fläche wenigstens drei aus einer gemeinsamen Einkristall«

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schicht gebildete Pieaowideretands^Spannungameßelemente gegen die Membran elektrisch isoliert angeordnet sind, wobei jedes SpannungsmeBelement aus mehreren zueinander parallel verlaufenden, zwischen zwei Anschlußstellen in fieihe geschalteten Streifen aufgebaut ist, dl· etwa radial auf der Membran und im wesentlich« auf der Richtungsachse des maximalen Längs-Pie*owideret«nds des Kristalls angeordnet sind, und wobei zwei Spannung·- meßelemente jeder Zone zu einer Wheatstone¹sehen Brücke zusammengeschlossen sind.

Auf diese Weise läßt die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Verwendung von mehr als vier Spannuxigameßelementen zu, und zwar ohne eine Vergrößerung des Membrandurchmeesers erforderlich zu machen. Es ist daher ein· Erhöhung der Belastbarkeit und des Signalausgange möglich. Außerdem sind durch die Erfindung zusätzlich· Spannungsmeß* elemente verfügbar gemacht, um aus diesen tor Optimalislerung des Betriebs des Meßumformers diejenigen alt den gewünschten Eigenschaften auszuwählen. So kann beispielsweise bei der Herstellung einer ßili«ium»#mbran mit einteilig an ihr ausgebildeten Spannungsmeßelementen die Qualität des p-n-übergangs bei einem oder mehreren der Spannungsmeßelemente bezüglich ihrer elektrischen Isolation vom Membrankörper gelegentlich unzureichend sein. Durch die Herstellung zusätzlicher 8pan-

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nungsmeßeleiaente, die praktisch übereinstimmende Spannungsempfindlichkeit haben, ist es möglich gemacht, vier Elemente mit ausreichender Isolation auszuwählen und zu einer Brücke zusammenzuschließen. Eine solche Auswahlmöglichkeit führt zu ökonomischer Herstellung, da viele bisher als Ausschuß behandelte Membranen mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einen völlig ausreichenden Meßumformer bilden können. Abgesehen von der Erzielung einer geeigneten elektrischen Isolierung können die zusätzlichen SpannungsmeBelemente auch zur Auswahl derjenigen herangezogen werden, die hinsiehtlieh ihres Widerstands pder anderer elektrischer Eigenschaften am weitestene übereinstimmen, wodurch ein© nachfolgend® Kompensation der Temperaturäaderungen und ähnlicher Faktoren erleichtert wird. Außerdem ermöglicht die Erfindung in vielen Fällen die Schaffung von zwei oder mehreren vollständigen Wheatstone'sehen Brückeneinheiten unter Verwendung einer einzigen Membranober» flache. Es können zusätzliche DatenverarbeitungsJcanäle, eine erhöhte Systemgenauigkeit usw. erreicht werden. Diese und weitere Vorteile ergeben sich gemäß der Erfindung durch Orientierung der ßilisiumembran oder einer anderen die Spannungsmeßelemente bildenden Siliziumschicht derart, daß sie in einer Kristallebene liegt, welche wenigstens zwei Lristallrichtungen maximaler Piezowidorstsnds-Empfindlichkeit aufweist. Dabei ist

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es möglich, voll wirksame Spannungsmeßelemente auf Membrandurchmessern anzuordnen, die parallel zu den beiden oder zu allen Kristallrichtungen liegen. Diese Anordnung ergibt eine Verdoppelung der Anzahl der verwendbaren Spannungsmeßelemente ohne Vergrößerung der Membranabmessungen und ohne wesentliche Verringerung der Abmessungen oder der Empfindlichkeit der Einzelelemente *

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 in Draufsicht eine Ausführungeform gemäß der Erfindung;

Flg. 2 einen Axialteilschnitt gemäß der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht in vergrößertem Maßstab auf ein Spannungsmeßelement; Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf

eine andere Ausführungeform der Erfindung; urd

Fie· 5, 6 und 7 sckematische Draufsichten auf andere Ausführungsformen bzw. Konfigurati onen.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch eine Aueführungsform des Meßumformers. Die kreisförmige Membran 10 wird längs ihres Umfange von einem ringförmigen Trägerbauteil 20 derart gehalten, daß Auelenkungen des ringförmigen Kantenbereichs 12 verhindert werden. Wie in J?ig.

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zu sehen ist, ist die Membran längs ihres Umfange zwischen zwei Jiingelementen fest eingeklemmt. Statt dessen kann eine starre Verbindung der Membranrandzone mit einem Versteifungsbauteil z.B. durch Zementierung, einteilige Ausführung oder auf andere geeignete Veise vorgenommen werden. Die zu messende mechanische Kraft oder der zu messende Druck wird durch eine sohematisch bei 26 gezeigte Vorrichtung erzeugt, die beispielsweise eine auf eine Beschleunigung ansprechende Vorrichtung sein kann. Die Ausgangsgröße der Vorrichtung 26 wird differentiell zwischen der Randzone und dem Mittelbereich der Membran angebracht, wie dies durch die gebrochenen Linien 27 angedeutet ist. Die Kraftübertragung bzw. -aufbringung auf den Mittelbereich der Membran kann durch einen axial angeordneten Stift 24 erfolgen, der mechanisch an einer Membranoberfläche mit oder ohne starre Verbindung mit dieser in Anlage tritt. Andererseits kann durch die Vorrichtung 26 ein Strömungsmitteldruck entwickelt werden, dessen Kraft über eine Kammer und geeignete Leitungen in Form eines Differenzdrucks an den einander gegenüberliegenden Selten der Membran zur Anlage gebracht wird. Die Erfindung betrifft die Messung der aufgrund einer mechanischen Kraft in der Membran hervorgerufenen Spannungen, und zwar unabhängig von der Art der Kraf taufbringung.

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In fig. 2 ist die Membran 10 in nach unten auegelenktem Zustand gezeigt, wobei die Krümmung zur besseren Darstellung übertrieben gezeigt ist. In diesem auegelenkten Zustand weist die Membran eine konkav· Krümmung der oberen Membran*lache im Mittelbereich. 27 innerhalb einer im allgemeinen kreisförmigen, hier alt 28 beseicaneten Grenze auf; in der Blngzone 29 zwischen dieser Grenze und dem starr gehaltenen Handbereich 12 ist diese Oberfläche der Membran konvex gekrümmt. Die genaue Form der Membrankrümmung und der Radius der JJull-Kurve 28 können in bekannter Weise aus der form und den elastischen Eigenschaften der Membran errechnet werden.

In Pig. 2 sind Spannungsmeßelemente 30 und 40 in den ihnen zugeordneten Zonen 27 und 28 schematisch dargestellt» Ähnliche Elemente sind in bekannter Weise Ia symmetrischen Stellungen auf der anderen Seite des Heabranmittelpunkts angeordnet* Im allgemeinen sind diese Spannungsmeßelemente aus Silizium aufgebaut, das einen gegenüber dem Membranköiper entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat und beispielsweise durch lokalisierte Oberflächendiffusion geeigneter Dotierungsstoffe ge- · bildet ist. Die so gebildeten Spaönungameßeleaente sind elektrisch vom Membrankörper durch einen p-n- * Übergang isoliert. Andererseits kann die Herstellung der Spannungsmeßijlemente auch so erfolgen, daß die

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gesamte Oberfläche beispielsweise durch Oberflächendiffusion von einem Leitfähigkeitstyp in den anderen überführt wird und die nicht für die gewünschte Anordnung der Spannungsmeßelemente erforderlichen Flächen beispielsweise durch einen Itzvorgang entfernt werden. Außerdem kann eine dünne Schicht kristallinen Siliziums über eine geeignete Isolierschicht auf eine Oberfläche der aus Silizium oder einem anderen Material mit ähn-

/hergestellten Membran liehen Temperatureigenschaften aufgebracht werden. Wenn die Isolation durch eine Zwischenschicht erfolgt, die keinen p-n~übergang erfordert, 1st. der .Leitfähigkeitetyp des Siliziums des Membrankörpers im allgemeinen un- -wesentlich.

Die auf einer Membran angeordneten Spannungsmeßelemente, z.B. 30 und 40, haben vorzugsweise gleiche Widerstands-, werte und normalerweise identische Ausbildungen· Flg. 3 zeigt die Form eines als Spannungsmeßeleaent verwendeten Widerstands, dessen Längsachse mit 56 bezeichnet let, Bei 50 und 52 sind Anschlußflächen vorgesehen, an die in bekannter Weise elektrische Verbindungen angebracht werden können. Zwischen den Anschlüssen 50 und 52 verläuft ein aus einer Vielzahl benachbarter und parallel zueinander und zur Achse 56 angeordneter Streifen 54-aufgebauter Leitungspfad. Die Streifen, sind «n ihren y Enden so (zick-zack^-föralg) miteinander verbunden, dafi -

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sie einen einzigen JReihenstromkreis bilden. Pur einige Fälle kann die Ausbildung dieses Widerstandes so geändert werden, daß einige oder alle der Streifen parallel geschaltet sind. Oa die Achse 56 parallel zu einer Richtung maximaler Längs-Fiezowideretande-JBmpfindllohkeit des Streifenmaterialβ angeordnet ist, spricht der Gesamtwiderstand des Meßelemente zwischen den Kontaktstellen 50 und 52 mit hoher Empfindlichkeit auf axiale Spannungsänderungen an.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Anordnung der Spannungsmeßelemente bei dem neuen Meßumformer. Die Scheibe 10 ist aus einem Sillslum-Einkristall mit solcher Orientierung ausgeschnitten, daß die Kristallebene (110) parallel zur Scheibenebene verläuft. Die Scheibenebene enthält dabei eine Kristallachse ^TiOjT und'zwei Kristallachsen £f^$f_% die unter gleichen Winkeln auf entgegengesetzten Seiten der Achse j£Tip7 angeordnet sind. Diese Achsen stellen alle Richtungen maximaler und im we- *> , sentlichen gleicher.Pitzo-Längawideretaade-Eapfindlioh· '■■·-''f?.. '_{ keit für Silizium des p-n-Type dar« Diese Maßgabe wird -';'■' hier ausgenutzt, indem die Spannungsmeßelemente des -p-TypB auf Scheibendurchmessern angeordnet sind, die parallel zu allen drei der Kristallachsen verlaufen.

.In dem gezeigten Aueführungsbeispiel sind »«ehe Span- ~"'~

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nungsmeßelemente 50 bis 35 in der Auslenkzone 27 angeordnet, wobei zwei auf der Achse ^TiQ^ ⁰^ «inender gegenüberliegenden Seiten des Scheibenmittelpunkta und zwei auf jeder der Achsen jffi^ff auf einander gegenüberliegenden Seiten des Scheibenmittelpunkts ließen· &mm Elemente 40 bis 45 sind in ähnlicher WMee in der !nieren Auelenkungszone 29 angeordnet« Die seeas äußeren Keßelemente sind in gleichem Abstand vom Seaeibtamlit®!« punkt angeordnet und liegen auf dem Radius maximaler Spannung. Die inneren Elemente sind dagegen teilweise mit unterschiedlichem Abstand vom Sohelbeoaiittelpunkt angeordnet, damit «Jedes .Element ein® ausreichend grolle Släene einnehaen kama_f otoe daß sieh die Mememt· -geaeeitig liberlappen* Der relatiT geriafipe keitsverlust, der siebt aus der »©iiAeltlleitea mrnrn; dieser Moneren Blemeate ergibt $ ist» Belastbarkeit Tbei weiten anfgewogem»

Ebene (110) weist genlB Hg. 1 oiao äoSmi# β lie t «ti ί IM Biet, dee p-fjje o£ae f^ü& i„ la υ ar dm? £Leco^j8iM9BiilAmpiBVQ3a O'öea IMl 1*1 fr, ti ülnü e*rei Spinm«igeeoBtlC3«nto

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des Auegangs des Meßumformers verwendet.

Fig. 4 stellt eine andere Anordnung der Spannungsmeßelemente des Silizium-p-Typs dar. Der Kristall, aus dem die Elemente gebildet sind, ist dort parallel zur Ebene (111) des kristallinen Siliziums ausgerichtet, wobei die Ebene drei Richtungen /TiÖjT enthält, die alle äquivalent sind und einen hohen Piezo-Längswiderstandskoeffizlenten haben. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind die drei in der inneren Auslenkungszone 27 angeordneten Spannungsme£elentente jeweils auf einer dieser Richtungen angeordnet. Brei Elemente sind außerdem in der äußeren Auslenkungszone 29 ebenfalls jeweils auf einer der Richtungen /T1Ö7" angeordnet, Jedoch auf der bezüglich dem Scheibenmittelpunkt dem auf der gleichen Achse liegenden inneren Element gegenüberliegenden Seit3. Sie gezeigte Anordnung erlaubt eine wirksame Ausnutzung der Membranfläche, und zwar insbesondere dann, wenn ein kleiner Membrandurchmesser angestrebt wird. Die Ebene (111) enthält ebenfalls drei Richtungen ΖΤΐί=7» äie zur Anordnung zusätzlicher Spannungsmeßelemente verwendet werden können.

Andere kristallographische Ebenen, die für den neuen heßuaformer vorgesehen werden können, z.B. die Ebene ' (112), die rechtwinklig aufeinanderstehonde Achsen

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und 11CJ7 t"^{14 zwei A}<shaen ßfr^l enthält, ergibt eine gute Piezowiderstands-Empfindliehkeit bei des p-Typ8 i Fig. 5)» die Ebene (100) weist nicht nur zwei zueinander senkrecht stehende Richtungen Verwendung bei Silizium des p-Typs (Fig. 6) auf, enthält auch zwei zueinander senkrechte stehende Aohoen ^T007, die eine hohe Empfindlichkeit bei Silizium des η-Typs (Fig. 7) ergeben.

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Claims

JIS

Ansprüche

1, Meßumformer mit einer flachen, kreisförmigen Membran, die entsprechend der Größe einer angelegten Querkraft auelenkbar 1st, alt einem ringförmigen, die Jftrae» bran längs ihre» Umfange starr haltenden Trägerbauteil sowie mit einer JLr af trüber tragungsvorr ich tung, welch·

sine die Membran aaslenkende Kraft im Mittelbereich der Membran quer tu deren JBbene auf die Membran aufbringt, wobei konzentrische innere und äußere Hembrmnsonen mit gegensätzlichen Spannungen entstehen« dadurch gekennzeichnet, daß in jeder dieser Zonen (27, 29) auf einer Membranoberfläche wenigstens drei aus einer gemeinsamen Einkristallschicht gebildete Plezowiderstands-Spannungsmeßelemente (30 - 35; 40 - 45) gegen dl« Membran (10) elektrisch isoliert angeordnet sind, wobei jedes Spannungsmeßelement aus mehreren zueinander parallel verlaufenden, zwischen zwei Anschlußstellen (50, 52) zu einem Stromkreis zusammengesehal taten Streif em (54) aufgebaut ist, die etwa radial auf der Membran

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(10) und im wesentlichen auf der Richtungsachse dee maximalen Piezo-Längswiderstands dee Kristalle angeordnet sind, und wobei zwei Spannungsmeßelemente jeder Zone zu einer Wheatatone·sehen Brücke tuaammengtschloesen sind.

2, Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallachse der Einkristallschicht derart angeordnet ist, daß die Schichtebene wenigstens zwei nicht parallele ßiehtungsachsen maximalen Piezo-Langswiderstands gleichen Vorzeichens und etwa gleicher Größe enthält, und daß auf jeder der Richtungsaohsen ve- nigstens ein Spannungameßeleaent (30 - i>5» 40 - 45) mit seinen Streifen (54) auegerichtet ist_t wobei die zwei ausgewählten Elemente in jeder Zone (27» 29) la* einander gegenüberliegenden Brückzweigen angeordnet sind. . ■

3> Heßumformer nach Ansprüchen 1 und 2, 4adurch gekennzeichnet, daß die Membran (10) aus einem Einkristall aufgebaut ist, wobei die Kristallschicht eine Oberflächenschicht dieses Einkristalls 1st, und daß die Spannungsmeßelemante (30 - 35; 40 - 45) durch p-n-Obergänge vom Körper des Einkristalls elektrisch isoliert sind·

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4. Meßumformer nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht aus Silizium des P-Typs aufgebaut ist, und daß die Schichtebene parallel zu einer Kristallebene ((11O)) verläuft und eine Kristallachse (^TiCT)- und zwei Achsen (£P\ff) enthält, wobei auf jeder Kristallachse wenigstens zwei Spannungemeße lernen te (30 - 35; 40 - 45) angeordnet sind·

5. Meßumformer nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krietalleohioht aus SiIisiu» des p-Typs besteht, und daß die Schichtebene parallel au einer Kristallebene ((111)) verläuft und drei Krietallachsen (/ΓΙΟ/") enthält, wobei auf jeder Krietallachee wenigstens zwei Spannungsmeßeleaente (30 - 35; 40 - 45) ausgerichtet sind.

6. Heßumformer nach Ansprüchen 1 und 2»dadurch gekennzeichnet, daß die Krietallschieht aus Silisiun dee p-Typs besteht, und daß die Schiohtebene parallel su einer Kristallebene ((112)) verläuft und eine Kristallachse (^TIpJ), eine Kristallachee (JZMJ) und ewel Kristallachsen (ßftZ?) enthält.

7· Heßumformer nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristall«chient aus Sllisiu» d·· p-iTyps besteht, und daß die Schichtebene parallel au

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einer Kristallebene ((10O)) angeordnet ist und zwei Kristallacbsen (^T1Ö7) aufweist.

8. Heßuraformer nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallschicht aus Silizium des η-Typs besteht, und daß die Schichtebene parallel zu einer Kristallebene ((10O)) angeordnet ist und zwei KriBtallachsen (/JOO?) enthält.

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