DE1816661A1

DE1816661A1 - Anordnung zum Messen von Druecken

Info

Publication number: DE1816661A1
Application number: DE19681816661
Authority: DE
Inventors: Yossimi Kato; Yasunori Muramatsu
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1967-12-27
Filing date: 1968-12-23
Publication date: 1969-07-24
Also published as: GB1247718A; DE1816661B2; FR1602328A; US3505874A

Description

^Γ PATENTANWÄLTE

BRAUNSCHWEIG MÜNCHEN

Toyoda Machine Works, Ltd.

1, 1-chome, Asahimachi, Kariya, Aichi prefecture,

Japan

Anordnung zum Messen von Drücken

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Drücken, { bei der eine scheibenförmige Membran mit ihrem Rand fest eingespannt ist, die auf ihrer einen Fläche zwei Halbleiter-Wandler elemente trägt, von denen das eine in diametraler Richtung im Zentrum der Membran und das andere im Bereich des Membranrandes angeordnet und zu einem Brückenraeßkreis geschaltet sind.

Das Messen von Drücken mit Hilfe von Halbleiterwandlern, die auf einer deformierbaren Membran befestigt sind sowie die verschiedenen Mittel, um solche Messungen durchzuführen, sind bekannt.

Bei einem bekannten Druckmeßgerät dieser Art wird eine deformierbare scheibenförmige Membran mit ihrem äußeren Umfang auf einem Gehäuse einer Meßvorrichtung festgehalten. &in Halbleiter-Wandlerelement ist in diametraler Richtung auf einem zentralen Abschnitt der Membran festgelegt; a«B. verkittet.

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Ein weiteres HaIbleiter-Wandlerelement ist in tangentialer Richtung auf einem äußeren Umfangsabschnitt der Membran festgekittet oder festzementiert, wobei die beiden Wandlerelemente einen Brückenkreis bilden, mit dessen Hilfe Druckänderungen, die auf eine äußere Fläche der Membran einwirken, gemessen werden können.

Allgemein gilt, daß dann, wenn eine scheibenförmige Membran mit ihrem äußeren Umfang festgehalten und einer gleichförmigen Druckbelastung unterworfen wird, verschiedene unterschiedliche Radialspannungen und Tangentialspannungen an Punkten von unterschiedlichem Durchmesser oder Radius auf der Membran auftreten, wie dies weiter unten näher beschrieben wird. Wenn mit "r" der Radius der Membran bezeichnet wird, sind der Radialdruck oder die Radialspannung an einem Punkt mit einem Radius von etwa 0,63r sowie die Tangentialspannungen an einem Punkt mit einem Radius von etwa 0,83r jeweils gleich Null. Das bedeutet, daß ein Punkt mit einem Radius von etwa O,63r und ein Punkt mit einem Radius von etwa O,83r auf der scheibenförmigen Membran jeweils einen Spannungsumkehrpunkt darstellt. Auf einem zentralen Abschnitt der scheibenförmigen Membran innerhalb der Grenze eines konzentrischen Kreises mit dem Radius 0,63r bzw. auf einem zentralen Abschnitt der scheibenförmigen Membran innerhalb der Grenze eines konzentrischen Kreises von 0,83r Radius wird jeweils eine positive Spannung (Zugspannung) erzeugt, während an einem Umfangsabschnitt der

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scheibenförmigen Membran außerhalb des jeweils genannten Grenze eine negative Spannung oder Druckspannung erzeugt wird. Auf diese Weise wird jeweils eine positive Spannungsaktivierungszone und eine entsprechende negative Spannungsaktivierungszone gebildet.

Bei dem oben erwähnten bekannten Druckmeßgerät wird das Wandlere lenient, welches diametral auf dem zentralen Abschnitt befestigt ist, einer positiven radialen Spannung unterworfen, während das Wandlere lenient, das tangential im äußeren Bereich aufgekittet ist, einer negativen tangentialen Spannung unterworfen ist. Der Meßkreis liefert damit ein Ausgangssignal, welches einer Summe der Werte der Druckvariationen entspricht, die mit dem Brückenkreis gemessen werden, welcher die beiden Wandlerelemente enthält, üs ist jedoch in der Praxis schwierig, eine ausreichend große Ausgangsleistung zu erhalten und zwar auf Grund der Tatsache, daß die TangentiaIspannung, dem das Element unterworfen ist, das auf dem Umfangsabschnitt festgekittet ist, wesentlich kleiner ist, als die Radialspannung, der das Element im zentralen Abschnitt unterworfen ist. Weiterhin ist es schwierig, eine gute Linearität der Ausgangscharakteristik zu erhalten und zwar auf Grund der Tatsache, daß das Ausmaß der Widerstandsänderungen der beiden Elemente pro Druckeinheit nicht gleich ist. Hinzu kommt, daß der Abschnitt, auf dem das Element, welches den tangentialen Spannungen ausgesetzt werden soll, aufgekittet ist, sehr klein

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mm 4· mm

ist, da es sich hierbei um den Bereich handelt, der außerhalb des Grenzkreises vom Radius 0,83r liegt. Dadurch wird es schwierig, eine kompakte und empfindliche Meßvorrichtung zu schaffen. Weiterhin ist das Bindematerial, mit dem das element in der schmalen Zone festgelegt wird, in dem schmalen Umfangsabschnitt schlecht verteilt, so daß die Membranspannungen entsprechend störend beeinflußt werden, was sich besonders bei solchen Meßgeräten auswirkt, die zum Messen von Mikrodrücken bestimmt sind.

In einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag ist bereits versucht worden, das Wandlerelement, welches tangential in dem äußeren Umfangsabschnitt der scheibenförmigen Membran des bekannten Druckmeßgerätes angeordnet ist, durch ein Wandlerelement zu ersetzen, das in radialer Richtung aufgekittet ist. Bei einer solchen Ausbildung und Anordnung des druckempfindlichen Teils kann das in radialer Richtung auf dem äußeren Umfangsabschnitt angeordnete Element radiale Spannungen messen, so daß verglichen mit der oben erwähnten bekannten Anordnung eine größere Ausgangsleistung erzielt wird. Demgegenüber ist es jedoch erforderlich, die Größe des in radialer Richtung angeordneten Wandlerelementes stark zu reduzieren verglichen mit dem Element, das auf dem zentralen Bereich befestigt ist. Würde nämlich das Element den Grenzkreis, in welchem sich die Spannung umkehrt, überdecken, so würde es Spannungen von unterschiedlichem Vorzeichen messen, welche sich im Ergebnis gegenseitig kompensieren oder auslöschen. Bei der notwendigen klei-

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rien Ausführung oder Bemessung des Wandlere leine nt es wird auch die mit dem Bindemittel überdeckte Fläche klein, so daß genaue Feststellungen von Membranspannungen schwierig werden, was wiederum die Herstellung einer kompakten und empfindlichen Einrichtung behindert.

Hinzu kommt, daß dann, wenn beide Elemente unterschiedlich in Größe und Form sind, die angezeigten Werte am Ausgang des Meßgerätes unstabil werden und zwar auf Grund des Kriechdehnungseffektes des Bindematerials.

Allgemein gesehen wird der zuletzt genannte effekt bei einem Druckmeßgerät dieser Art umso größer, je stärker die Länge des Wandlerelementes abnimmt. In jedem Fall beeinflußt der Unterschied in Größe und Form der Wandlerelemente, die in einem Druckmeßgerät befestigt sind, die Wirkung und Funktionstüchtigkeit des Meßgerätes.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden, wobei insbesondere bei kompakter Bauweise eine große Empfindlichkeit und große Ausgangsleistung erhalten werden sollen, und gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen wird, eine gute Temperaturkompensation zwischen den Wandlerelementen zu erzielen und

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die Linearität der Ausgangsleistung in Abhängigkeit von den zu messenden Drücken zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das im Bereich des Membranrandes vorgesehene Halbleiterelement mit seiner die größte Empfindlichkeit aufweisenden Kristallrichtung mit jedem durch das Halbleiterelement gehenden Radius der scheibenförmigem Membran einen Winkel zwischen etwa 20° und 80° bildet. Die scheibenförmige Membran kann dabei fest auf einem Gehäuse des Meßgerätes mit ihrem äußeren Umfang festgelegt werden. Die beiden Wandlerelemente bestehen vorzugsweise aus zwei Schichten eines Einkristalls eines Halbleitermaterials, welche zweckmäßigerweise die gleichen Charakteristiken aufweisen, insbesondere das gleiche Temperatur-Wider standsverhalten. Die beiden Wandlerelemente sind isoliert auf der Innenfläche der Membran festgekittet oder festzementiert. Das in diametraler Richtung auf dem zentralen Abschnitt der Membran festgekittete Wandlerelement dient dazu, ausschließlich radiale Spannungen6"r zu messen. Das andere Wandlerelement, welches im äußeren Bereich der Membran in einer solchen Weise angeordnet ist, daß zwischen der durch einen Punkt des Elementes und das Zentrum der Membran gehenden Normalen und der Kristallrichtung von maximaler Empfindlichkeit des Wanderelementes stets ein Winkel zwischen 20° und 80° eingeschlossen ist, dient demgegenüber dazu, einen resultierenden Spannungsvektor aus den radialen Spannungen &r und einer Tangentia1-

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Spannung G* t zu messen.

Das Meßergebnis besitzt das entgegengesetzte Vorzeichen zu den Spannungen, welche durch das in der Mitte der Membran festgekittete Element gemessen werden.

Bei dieser Anordnung kann das Wandlerelement, welches im äußeren Umfangsbereich der Membran angeordnet ist, außerordentlich raumsparend angeordnet werden, da dieses nilement schräg gegenüber der genannten Normalen angeordnet wird. Damit kann dieses äußere Wandlerelement in der gleichen Größe und mit den gleichen Charakteristiken ausgebildet werden, wie jenes Element, das auf dem zentralen Abschnitt der Membran festgekittet ist. Damit wird es möglich, die jeweiligen Widerstände der beiden Wandlerelemente gleich zu machen und einen ausbalancierten Brückenkreis zu bilden, mit dem erfolg, daß eine Stabilisierung des Nullpunktes, eine verbesserte Linearität der Ausgangscharakteristik, Austauschbarkeit der Brückenanschlüsse sowie ein gutes Temperaturverhalten der Wandlerelemente sichergestellt werden. Weiterhin wird auf Grund der Tatsache, daß die neue Anordnung eine besonders raumsparende ist, die Möglichkeit erhalten, ein druckempfindliches Meßgerät zu schaffen, welches außerordentlich kleine Abmessungen aufweist. Bei diesen geringen Abmessungen ist die Volumenänderung, die durch Verstellung der Membran hervorgerufen wird, nahezu vernachlässigbar klein, so daß die

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Druckcharakteristik in der Übergangsstufe verbessert und eine im höchsten Maße zuverlässige Vorrichtung erhalten wird. Da das Wandlerelement am äußeren Umfangsabschnitt einen resultierenden Vektor aus der Tangentialspannung und der Radialspannung messen kann, und zwar mit im wesentlichen der gleichen Spannungswirkung wie das Element, das auf dem zentralen Abschnitt der Membran festgelegt ist, kann durch Auswahl der ständigen festen Stellung und des Neigungswinkels gegenüber der genannten Normalen des am Umfang festgelegten Elementes eine weiterhin verbesserte Linearität des Ausgangssignals in «^Abhängigkeit vom Druck, der gemessen werden soll, erhalten werden, was wiederum zu einer vergrößerten Ausgangsleistung führt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Gerät, das nach der Erfindung ausgebildet ist.

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Schnittlinie II-II nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt den Meßkreis, in welchem die beiden verwendeten Wandlerelemente eingeschaltet sind.

Fig, 4 ist ein diametraler Schnitt durch die Membran und veranschaulicht einen Zustand der Spannungsverteilung auf der

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- 9 Membran, welche in ihrem äußeren Rande festgelegt ist.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen jeweils im vergrößerten Maßstabe und in Teilausschnitten verschiedene Stellungen der Wandlerelemente im Rahmen der Lehre nach der vorliegenden Erfindung.

Wie Fig. 1 zeigt, weist ein Ausführungsbeispiel des Meßgerätes nach der Erfindung ein hohles zylindrisches Gehäuse 2 auf, an dessem einen Ende eine kreisförmige Ausnehmung 2b vorgesehen ist, in der ein Stützelement 3 befestigt ist. Auf dessen ^ äußerer Fläche ist ein kreisförmiger Vorsprung 3a koaxial angeformt, um eine deforraierbare scheibenförmige Membran 4 aufzunehmen, welche den Vorsprung mit ihrem äußeren Umfangsflansch 4a übergreift, wobei die Membran mit Hilfe eines Befestigungsringes 5, der anzementiert ist, festgelegt ist. Bevor die Membran 4 auf dem Stützelement 3 angeordnet wird, sind zwei Halbleiter-Wandlerelemente Gl und G2 mit den gleichen Charakteristiken auf einer dünnen isolierenden Schicht auf der Innenfläche der Membran 4 festgelegt, z.B. festgekittet.

Eines der Wandlerelernente Gl ist in einer diametralen Richtung auf dem zentralen Abschnitt der Membran 4 angeordnet, während das andere Wandlerelement G2 auf einem äußeren Umfangsabschnitt der Membran 4 nahezu parallel zu dem ersten Element Gl festgelegt ist (siehe Fig. 2).

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An beiden Enden der jeweiligen Wandlerelemente Gl und G2 sind Leitungsdrähte a, b, c und d angeschlossen, welche aus dem Stützelement 3 durch entsprechend kleine Bohrungen herausgeführt und mit anderen Drähten E, F und G verbunden sind, um einen halben Brückenkreis zu bilden. Der Draht E ist mit einem Ende der Leitung a des Elements Gl verbunden, der Draht F ist an die andere Leitung b des Clements Gl und gleichzeitig an einen der Drähte c des Elements G2 angeschlossen, während der fe Draht G mit der anderen Leitung d des Elements G2 verbunden ist. Diese Drähte &, F und G werden durch ein isolierendes Element 6 gehalten, das in einer Kappe 7 am anderen Ende des Gehäuses 2 befestigt ist, wobei die Drähte durch dieses element nach außen geführt sind. Mit Hilfe eines Gewindeabschnittes 2a nahe des vorderen Endes des Gehäuses 2 kann das Meßgerät in einer Wand 8 eines Kessels eingeschraubt werden, der die zu messende Druckatmosphäre enthält.

Der Draht E und der Draht G sind, wie aus Fig. 3 hervorgeht, mit den beiden Anschlüssen einer elektrischen Stromquelle A verbunden. Zwischen diesen beiden Anschlüssen sind feste Widerstände Rl und R2 sowie ein variabler Ausgleichswiderstand VK in Reihe angeordnet, so daß sie die Stromquelle überbrücken. Der Draht F und ein Schiebekontakt S des veränderlichen Widerstandes VR sind mit den Aoegangsanschlüssen 0 und P verbunden. Irgendein geeignetes Anzeigeinstrument, z.B. ein Voltmeter, ein

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Amperemeter od.dgl. oder jede Aufzeichnungsvorrichtung z.B. ein Oszilloskop, ein Schreiber od.dgl. können mit den Ausgangsanschlüssen 0 und P verbunden sein. Auf diese Weise wird die elektrische Ausgangsleistung angezeigt oder aufgezeichnet, welche den durch die Wandlereiemente Gl und G2 gemessenen Druckänderungen entsprechen.

Nachfolgend werden charakteristische Eigenschaften der druckempfindlichen Teile der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.

Wie oben schon erwähnt, sind die beiden Wandlerelemente Gl und G2 jeweils auf dem zentralen Abschnitt bzw. einem äußeren Abschnitt der Membran festgekittet oder in anderer Weise festgelegt, wobei gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 beide Wandlerelemente nahezu parallel zueinander laufen. Der Winkel zwischen einer Normalen OP, welche von einem Punkt P des Uilementes G2, das auf dem Umfangsabschnitt festgelegt ist, ausgeht und in Richtung auf die Mitte 0 der Membran führt, und der Kristallrichtung von maximaler Empfindlichkeit des Elementes G2 (das ist die Richtung der Längsachse des Elementes G2) ein spitzer Winkel. Wenn dieser Winkel durch den Buchstaben Θ wiedergegeben wird, wird die radiale Spannung der Membran am Punkte P repräsentiert durch den Wert GVp . In diesem Falle ist die radiale Spannung Q⁰ rp, die durch das Element G2 an einem Punkte P festgestellt wird gleichfTrpcos θ.

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Ähnliches gilt für die tangentialen Spannungen. Wenn die
tangentiale Spannung der Membran im Punkte P wiedergegeben
wird durch den Wert 6*tp, wird durch das Element G2 am Punkte P eine tangentiale Spannung GHp in der Größe von S'tpsinö
entdeckt. Damit kann das Element G2 einen resultierenden Vektor nach folgender Gleichung entdecken:

Gc = (J⁰ rp + ^tp.

Selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, daß sich geringfügige Unterschiede zwischen den Werten der Winkel Ό entsprechend den verschiedenen Punkten entlang der Längsachse des
üilementes G2 ergeben, liegen diese Werte stets zwischen etwa 20° und 80°, so daß das Element G2 stets den zugehörigen resultierenden Vektor ¹Oc entdeckt. Da in diesem Falle das element G2 sich sowohl über die positive Spannungsaktivierungszone als auch über die negative Spannungsaktivierungszone erstreckt, wird der Vektor G*tp, der durch die Tangentialspan- ψ nungen erzeugt wird, durch gegenseitige Auslöschung klein.

Auf Grund der Tatsache jedoch, daß der Vektor 6°rp, der durch die Radialspannungen erzeugt wird, groß ist, wird der gesamte resultierende Vektor &c groß. Da dieser resultierende Vektor das entgegengesetzte Vorzeichen gegenüber den Spannungen aufweist, die durch das Element Gl festgestellt werden,welches
auf dem zentralen Abschnitt der Membran angeordnet ist, wird es möglich, eine Ausgangsleistung zu erhalten, welche der Summe der Widerstandsänderungen beider Elemente Gl und G2 entspricht.

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Dementsprechend wird eine wesentlich größere Ausgangsleistung erhalten, als mit einem Element G2, welches lediglich die Tangentialspannungen CTt feststellt. Da das Element G2 in schräger Lage zu der betreffenden Normalen oder zugehörigen Tangente mit einer vorbestimmten Neigung angeordnet ist, bereitet es keine Schwierigkeit, das Element G2 in den vorgese^- henen begrenzten Umfangsbereich der Membran anzuordnen. Damit kann das Element G2 mit den gleichen Abmessungen und der gleichen Form wie das zentral angeordnete Element Gl verwendet werden. Dies wiederum erlaubt die Möglichkeit, zwei Elemente mit gleichem Widerstand zu verwenden, um damit einen ausbalancierten Brückenkreis zu erhalten. Weiterhin wird dadurch dir störende Einfluß des Kriechdehnungseffektes weitgehend beseitigt.

Bei der neuen Anordnung kann man dem Element G2 auch eine gewünschte Neigung unter einem Winkel CC , wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist, gegenüber dem zentralen Element Gl geben. Dadurch wird.es möglich, nahezu jedes Ausmaß von WiderstandsabweichungeMt der beiden Elemente Gl und G2 auszugleichen, so daß eine wesentlich verbesserte Linearität des Ausgangssignals in Abhängigkeit vom Druck und eine genauere Druckmessung erhalten werden. Da die beiden Elemente Gl und G2, die auf der gleichen Fläche der gleichen Membran festgelegt werden, so ausgewählt werden können, daß sie gleiche Widerstands-Temperaturverhalten zeigen, kann auch eine aus-

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gezeichnete selbsttätige Temperaturkompensation auf diese Weise erhalten werden.

jüjS ist auch möglich, die oben beschriebene druckempfindliche Anordnung gemäß der ariindung für verschiedene andere Typen von Druckmeßinstrumenten, z.B. als Einheit-Vorrichtung verwendet werden.

Ansprüche

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Claims

181G661 - 15 Ansprüche

1. Anordnung zum Messen von Drücken, bei der eine scheibenförmige Membran mit ihrem Rand fest eingespannt ist, die auf ihrer einen Fläche zwei Halbleiter-Wandlerelemente trägt, von denen das eine in diametraler Richtung im Zentrum der Membran und das andere im Bereich des Membranrandes angeordnet und zu einem Brückenmeßkreis geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet , daß das im Bereich des Membranrandes vorgesehene Halbleiterelement (G2) mit seiner Kristallrichtung der größten lumpfindlichkeit mit jedem durch das Halbleiterelement gehenden Radius (OP) der scheibenförmigen Membran (4) einen Winkel zwischen etwa 20° und 80° bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Halbleiter-Wandlerelemente (Gl, G2) in zwei lilinkristallschichten von gleichen charakteristischen Eigenschaften bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Halbleiter-Wandlerelemente von gleicher Größe und Form sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß sich das dem Randbereich der

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Membran zugeordnete Wandlerelement beiderseits einer Umfangslinie mit dem Kadius 0,83r, wobei r der Membranradius ist, erstreckt.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Kristallrichtungen maximaler Empfindlichkeit von beiden Wandlerelementen (Gl, G2) etwa parallel zueinander verlaufen.

G. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Wandlerelemente (Gl, G2) gleiches Teinperatur-Widerstandsverhalten aufweisen.

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