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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmeßeinrichtung nach
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dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Bei einer derartigen Druckmeßeinrichtung
ist es bekannt, einen aus einem llalbleitersubstrat bestehenden Druckfühler auf
einem Trager zu montieren, wobei der Träger z. D. aus einem Glasrohr mit niedrigem
thermischem Ausdehnungskoeffizienten besteht. In Abhängigkeit von der Art und Weise,
wie der Druckfühler auf dem Trägerrohr montiert wird, hat man eine unterschiedlich
große temperaturabhängige Meßwertverschiebung für jeweils gleiche Drücke festgestellt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckmeßeinrichtung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese temperaturabhängige Meßwertverschiebung
möglichst gering wird. Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
dererfindungsgemäßen Druckmeßeinrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen sei die Erfindung im folgenden näher erläutert Es zeigen:
Fig. 1A und 1B Diagramme, in denen eine Widerstandsänderung über einer Beanspruchung
bei unterschiedlichen Temperaturen eingetragen ist.
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Fig. 2 die zu dem Diagramm gemäß Figur 1A gehörende Druckmeßeinrichtung.
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Fig. 3 die zu dem Diagramm gemäß Figur 1B gehörende Druckmeßeinrichtung.
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Fig. 4 eine der Druckmeßeinrichtung gemäß Figur 3 ähnelnde Einrichtung
in einer anderen Ansicht.
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Fig. 5 eine aus der Druckmeßeinrichtung gemäß Fig. 2 entstandene
verbesserte Druckmeßeinrichtung.
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Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Druckmeßeinrichtung.
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Fig. 7 eine Seitenansicht der Druckmeßeinrichtung gemäß Fig. 3.
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Fig. 8 - 11 weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Druckmeßeinrichtungen
in Seitenansichten.
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Gemäß den Fig. 1A und 1B sind in einem Diagramm die Widerstandsänderung
A R über einer Dehnungsbeanspruchung S für vier verschiedene Druckmeßeinrichtungen
A,B,C und D dargestellt. Hierbei wurde eine vergrößerte Darstellung im Bereich des
Koordinatenursprungs gewählt. Der Verschiebewert für jede Druckmeßeinrichtung ist
der Wert, der hinsichtlich jeder Druckmeßeinrichtung entlang der Achse h R bei einer
bestimmten Standardtemperatur T0 auftritt.
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Solche Verschiebewerte entstehen aufgrund von Unterschieden hinsichtlich
der Piezowiderstände bei deren Herstellung, aufgrund von Unterschieden hinsichtlich
der die Fühlelemente tragenden Träger usw. Obgleich solche Verschiebewerte bis zu
einem gewissen Ausmaß unvermeidlich sind, können sie hinsichtlich einer Temperatur
leicht durch Druckfühlersignal-Behandlungsschaltkreise kompensiert werden.
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Die Verschiebewerte der Druckmeßeinrichtungen verschieben sich jedoch
mit der Temperatur aufgrund von Fehlanpassungen zwischen den Temperaturkoeffizienten
der Piezowiderstände, aufgrund von Fehlanpassungen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Fühlermaterial und dem Trägermaterial usw. Dies ist aus den Fig. 1A
und 1B ersichtlich, wenn man die Kurvenzüge hinsichtlich der verschiedenen Temperaturen
T1 und T2 betrachtet, die sich von den Kurven hinsichtlich der Temperatur Tg unterscheiden.
Hierbei hat
es sich herausgestellt, daß der Zusammenbau des Fühlers
mit dem Träger in besonderer Weise diese Fehlanpassung beeinflußt, sofern die Temperaturverschiebung
auf unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Fühlers und Trägers zurückzuführen
ist.
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Die in den Fig. 1A und 1B dargestellten Kurven sind zwei verschiedenen
Anordnungen zugeordnet, wobei in Fig. 1A die Kurven für zwei DruclmeBeinrichtungen
A und B dargestellt sind, die von einer ersten Montageanordnung Gebrauch machen,
und in Fig. 1B die Kurven für zwei Druckmeßeinrichtungen C und D dargestellt sind,
die von einer zweiten Montageanordnung Gebrauch machen. Die Druckmeßeinrichtungen
A und B benutzen eine Montageanordnung entsprechend Fig. 2, während die Druckmeßeinrichtungen
C und D eine Montageanordnung gemaß Fig. 3 benutzen. Wie aus den Fig. lA und 1B
klar hervorgeht, führt die erste Montageanordnung zu einer Streuung der absoluten
Temperaturverschiebewerte, die im Durchschnitt wesentlich größer als die Streuung
der Werte hinsichtlich der zweiten Anordnung ist.
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Da bedeutende Temperaturverschiebewerte in dem Druckfühlersignal-Behandlungsschaltkreis
kompensiert werden müssen, um ein genaues Druckmeßgerät zu erhalten, sind Druckmeßeinrichtungen
anzustreben, die das Verhalten gemäß dem Diagramm in Fig. 1B aufweisen. Derartige
Anordnungen erfordern nur eine geringe oder gar keine Kompensation in Abhängigkeit
von der Temperatur, obgleich der nominelle Verschiebewert weiterhin kompensiert
werden muß. Eine optimale Montageanordnung kann zu einer mittleren Temperaturverschiebung
führen, die bei entsprechend hergestellten Einheiten nahe dem Wert 0 liegt, so daß
keine Kompensation durch den Signalbehandlungsschaltkreis für derartige Verschiebungen
erforderlich wird, eine solche Montageanordnung sei im folgenden beschrieben.
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Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Druckfühler-Chip 61 aus Halbleitermaterial,
der auf das Ende eines Glasrohres 62 mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
montiert ist, wobei das Glasrohr einen Innenradius 63 aufweist, der durch eine langgestrichelteLinie
angedeutet ist. Die kurzgestrichelten Linien 64
und 65 repräsenticren
die Umrißlinien einer den Membranteil bildenden schrägen Ausnehmung in dem Isalbleitermaterial
des Druckfühlers 61. Die äußere kurzgestrichelte Linie 64 stellt die Umrißlinie
in der Fläche des Druckfühlers 61 dar, die mit dem Glasrohr 62 verbunden wird. Die
innere kurzgestrichelte Linie 65 stellt die Schnittstelle zwischen der Wand der
Ausnehmung und der Membran im Druckfühler 61 darwobei ersichtlich ist, daß die Wand
der Ausnehmung nicht vertikal verläuft.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 wurde ein bekanntes elektrostatisches
Verbindungsverfahren benutzt, um eine Verbindung zwischen dem Glasrohr 62 und dem
Druckfühler 61 herzustellen. Bei diesem Verfahren ergibt sich eine Verbindung entlang
der Kante des Ilalbleiter-Druckfühlers 61, das heißt entlang des AuBenlumfanges
des quadratischen Chips. Die Verbindungsfläche ist somit nicht symmetrisch im Hinblick
auf die durch ote Membranausnehmung definierte Umrißlinie, z.B. die gestrichelte
Linie 64, und es hat sich herausgestellt, daß dies zu der beträchtlichen Verschiebung
bei den Meßeinrichtungen A und B gemäß Fig. 1A führt.
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Andererseits ist in Fig. 3 erneut ein Druckfühler-Chip 61 aus Halbleitermaterial
dargestellt, der demjenigen in Fig. 2 entspricht. Der Druckfühler 71 ist jedoch
durch das gleiche elektrostatische Verbindungsverfahren mit dem Ende eines unterschiedlichen
Glasrohres 72 mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten verbunden, wobei
das Glasrohr durch die langgestrichelten Linien dargestellt ist und die mit 73 bezeichnete
gestrichelte Linie erneut den Innendurchmesser des Glasrohres darstellt. Der Umriß
der Ausnehmung in dem Druckfühler-Chip 71 wird erneut durch die kurzgestrichelten
Linien 74 und 75 definiert. Das elektrostatische Verbindungsverfahren führt hierbei
zu einer Verbindung entlang der kreisförmigen Außenkante des Glasrohres 72, so daß
die Verbindungsfläche symmetrisch im Hinblick auf die Ausnehmung in dem Chip 71
verläuft. Dies wird dadurch ermöglicht, daß der Außendurchmesser des Glasrohres
geringer als die Breite des quadratischen Chips ist. Diese Montageanordnung, die
für die Druckmeßeinrichtungen C und D gemäß Fig. 1B verwendet wird,
ergibt
eine symmetrische Anordnung, die zu einer mittleren Verteilung der Temperaturverschiebung
nahe bei dem Wert 0 führt.
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Die Erzielung einer minimalen Verschiebung durch Wahl einer Montagevorrichtung,
wobei der Träger gegenüber dem Druckfühler aus einem unterschiedlichen Material
besteht und somit einen unterschiedlichen temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, erfordert, daß die Verbindungsflächen zu beiden Seiten der Verbindung
symmetrisch im Hinblick auf die Umrißlinie der Ausnehmung in der Verbindungsfläche
des Druckfühlers ist und ferner, daß ein bestimmter Abstand zwischen diesen Verbindungsflächen
und dieser Umrißlinie der Ausnehmung eingehalten wird.
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Gemäß Fig. 4 ist eine Druckmeßeinrichtung dargestellt, bei der die
Verbindungsfläche 82 mit der Ausnehmung 83 dem Betrachter zugewandt ist. Ein wesentlicher
Teil der Montagefläche 82 des Druckfühler-Chips 81 aus Halbleitermaterial ist mit
dem Träger verbunden. Dieser optimale Oberflächenteil wird durch ein geschlossenes
Oberflächenband 84 gebildet, das innerhalb der Montageflache 82 liegt, und eine
innere Umrißlinie 85 und eine äußere Uznrißlinie 86 aufweist, wobei beide Umrißlinien
in gleichem Abstand von der Umrißlinie 87 der Ausnehmung innerhalb der Montagefläche
82 angeordnet sind. Die breite des Oberflächenbandes 84 wird durch die geforderte
praktische Breite der Verbindungsflächen innerhalb der MontagefLäche 82 bestimmt,
wobei diese Breite von der Art des benutzten Verbindungsverfahrens abhängt. Der
Ort des Oberflächenbandes 84 muß für jeden Druckfühleraufbau ermittelt werden, vm
die mintoßle Verschiebung in beiden Richtungen ausgehen von O für diesen Aufbau
der Druckmeßeinrichtung zu finden.
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Wenn dieser Ort einmal durch Versuche oder durch Berechnungen gefunden
worden ist, so führt die Beschränkung der Verbindungsfläche auf dieses Oberfl.chenband
84 zu einer minimalen Temperaturverschiebung.
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Es gibt eine Anzahl von Möglichkeiten, mit denen die an einer Verbindung
des Trägers mit dem OberflAchenband 84 teilhabenden Verbindungsflächen
eingegrenzt
und geeignet lokalisiert werden können. Wenn die Verbindung an der Kante des Druckfühlers
auftritt, wie dies Sm Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde, so kann man eine
Verbindung im wesentlichen innerhalb des Oberflächenbandes eines Druckfühlers gemäß
Fig. 4 herbeiführen, indem das Material außerhalb dieses Oberflächenbandes des Druckfühler-Chips
mehr oder weniger entfernt wird.
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Eine solche Druckmeßeinrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei
wurden hinsichtlich des Druckfühlers nur Materialwegnahmen entlang von geraden Linien
vorgenommen. Diese Materialwegnahme kann vor der Verbindung des Druckfühlers mit
dem Träger erfolgen. Wie man aus Fig. 5 entnehmen kann weist der Druckfühler 91
aufgrund der Materialwegnahme durch gerade Abschnitte entlang der Außenkante die
Form eines Oktogons auf, wobei der Umriß des Oktogons von der Umrißlinie 94 der
Ausnehmung einen im wesentlichen gleichen Abstand aufweist. Der Träger besteht wiederum
aus einem Glasrohr mit einer äußeren Umrißlinie 92 und einer inneren Umrißlinie
93.
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In den Fällen, wo es möglich ist, den Druckfühler-Chip mit einem kreisförmigen
Wider lager konzentrisch zu der kreisförmigen Ausnehmung auszustatten, kann die
äußere Umrißlinie des Oberflächenbandes, z.B. die Umrißlinie 86 gemäß Fig. 4 als
Kante des Druckfühlers benutzt werden, so daß die Verbindung entlang der Außenkante
des Druckfühlers das Oberflächenband mitbestimmt. Eine solche Anordnung ist in Fig.
6 dargestellt. Hierbei verläuft die Außenkante des Druckfühlers 101 parallel und
konzentrisch zu den Umrißlinien 104 und 105 der Ausnehmung innerhalb des Druckfühlers
sowie parallel und konzentrisch zu den Umrißlinien 102 und 103 des Trägers in Form
eines Glasrohres.
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Gemäß Fig. 7 ist eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 3 dargestellt.
Hierbei weist ein Glasrohr 76 mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
einen Innendurchmesser 73 und einen Außendurchmesser 72 auf, wobei diese Durchmesser
ungefähr den
Durchmessern der inneren und äußeren Umrißlinie des
Oberflächenbandes entsprechen. Das Glasrohr 76 ist mit dem Widerlagerteil 79 des
Druckfühlers 71 verbunden. Der Druckfühler 71 weist eine Ausnehmung 78 auf, wodurch
ein Membranteil 77 gebildet wird. Der Membranteil 77 weist Teile von eindiffundierten
Piezowiderständen auf, wodurch ein Druck über eine Dehnungsbeanspruchung gemessen
werden kann. Die Ausnehmung 78 ist topfförmig und weist eine abgeschrägte Seitenwand
auf. Hierdurch werden Umrißlinien 74 und 75 gehildet, die den Übergang der schrägen
Seitenwand der Ausnehmung 78 in den Widerlagerteil 79 bzw. in den Membranteil 77
darstellen Wenn das in Fig. 7 verwendete Glasrohr für bestimmte Anwendungszwecke
als zu dünn empfunden wird, so kann ein dickeres Glasrohr gemäß den Fig. 8 und 9
verwendet werden, wobei die Sitnfläche des Glasrohres abgeschrägt wird. Gemäß Fig.
8 ist die Stirnfläche 129 von außen nach innen ansteigend abgeschrägt. Andererseits
sind gemäß Fig. 9 zwei Kegelflächen 138 und 139 vorgesehen, wobei die Kegelfläche
138 von innen nach außen und die Kegelfläche 139 von außen nach innen ansteigt.
Auf diese Weise kann die Verbindung zwischen Druckfühler und Glasrohr auch bei einer
wesentlich geringeren Abmessung des Druckfühlers gegenüber dem Glasrohr entlag eines
Oberflächenbandes erfolgen, das innerhalb des Druckfühlers liegt.
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Eine weitere Möglichkeit besteht gemäß Fig. 10 darin, das Glasrohr
146 mit einem konzentrischen Vorsprung 141 zu versehen, mit welchem der Druckfühler
verbunden wird. Selbstverständlich kann der Vorsprung sich auch an dem Druckfühler-Chip
im Bereich des Oberflächenbandes befinden.
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Wenn der Innendurchmesser des Glasrohres geringer als der Durchmesser
der Ausnehmung in dem Druckfühler ist, so kann durch eine Abschrägung der Auflagerfläche
des Druckfühlers die Verbindungsstelle zwischen Druckfühler und Glasrohr an die
Stelle verlegt werden, die sich außerhalb der Ausnehmung und konzentrisch zu dieser
befindet. Auf diese Weise erreicht man, daß der Außendurch
messer
des Glasrohres praktisch mit dem Außendurchmesser des Oberflächenbandes übereinstimmt.
Die Neigung in der Montagefläche des Druckfühlers kann leicht durch chemische Polierung
erzeugt werden. Dies erfolgt, wenn noch mehrere Druckfühler in einem~ Plättchen
miteinander verbunden sind, d.h. vor dem Zersägen des Halbleiterplättchens in einzelne
Druckfühler.
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In allen vorstchend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die
Verbindung zwischen einem rohrförmigen Glasträger mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
und einem Druckfühler aus ilalbleitermaterial entlang einer ausgewählten Fläche
des Druckfühlers. Im Hinblick auf eine minimale Temperaturverschiebung der Kennlinie
müssen die Verbindungsflächen innerhalb des erwähnten Oberflächenbandes liegen.
Dieses Oberflächenband liegt innerhalb des Druckfühlers und erstreckt sich konzentrisch
zu dem Glasrohr und zu der Ausnehmung im Druckfühler. Die geeignete Lage dieses
Oberflächenbandes kann durch Vexsuche oder durch Berechnungen ermittclt werden.
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