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"Aufnehmer zur direkten Messung hydrostatischer Drücke"
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Aufnehmer zur direkten Messung
hydrostatischer Drücke, enthaltend wenigstens ein druckempfindliches Halbleiter-Element,
aus dessen druckabhängigem elektrischen Widerstand eine dem Druck proportionale
elektrische Größe ableitbar ist. Derartige Aufnehmer sind bekannt, so z.B. aus der
US-PS 3 270 562. Die derartigen Halbleiter-Elementen anhaftende nachteilige Eigenschaft
einer hohen Temperaturabhängigkeit wird bei diesem bekannten AuS-nehmer dadurch
kompensiert, daß zwei gleiche Halbleiter-
Elemente in getrennten
Kammern eines Gehäuses untergebracht sind, wobei ein Element dem zu messenden hydrostatischen
Druck ausgesetzt ist, während das andere nicht von diesem Druck beeinflußt wird.
Da beide Halbleiter-Elemente jedoch der gleichen Temperatur unterliegen und somit
gleiche temperaturbedingte Widerstandsänderungen aufweisen, lassen sich die nur
druckabhängigen Widerstandsänderungen abtrennen und auswerten.
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Nachteilig ist bei diesem bekannten Aufnehmer nicht nur der hohe Aufwand
für ein zwei Kammern enthaltendes Gehäuse, sondern auch eine hohe Wärmeträgheit,
die bei Messungen mit häufig schwankenden Temperaturen zu Meßfehlern führt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Aufnehmer der
eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Aufbau wesentlich einfacher ist und der
darüber hinaus auch schnellen Temperaturänderungen fehlerfrei zu folgen vermag.
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Die Erfindung besteht darin, daß jedem druckabhängigen Halbleiter-Element
ein druckunabhängiges Halbleiter-Element gleichen Temperatur-Widerstands-Verhaltens
zugeordnet ist und mit diesem dem zu messenden Druck unterworfen ist.
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Dabei geht die Erfindung von den nachstehend dargelegten physikalischen
Eigenschaften bestimmter Halbleiter-Elemente aus.
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Halbleiter verändern ihre elektrischen Eigenschaften, wenn sie allseitigem
Druck ausgesetzt werden. Der Druck bewirkt eine Komprimierung des Kristalls und
damit eine Veränderung der Gitterabstände. Hieraus resultiert eine Änderung der
elektronischen Bandstruktur des Halbleiters, die sehr empfindlich auf eine Variation
des Gitterabstandes reagiert.
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Aufgrund der sehr kleinen Kompressibilität fester Körper ist die Änderung
der Gitterparameter nur klein. Infolgedessen kann in erster Näherung angenommen
werden, daß die durch Druck hervorgerufene Änderung der Bandstruktur für alle Halbleiter
der gleichen Kristallklasse gleich ist. Diese Annahme ist experimentell für die
im ZnS-Gitter kristallisierenden III-V-Halbleiter bestätigt. Die bei diesem Halbleitertyp
auftretenden 3 Leitungsbandminima verändern unter Druckeinwirkung ihre energetische
Lage relativ zum Valenzbandmaximum und relativ zueinander in der in Fig. 1 angegebenen
Weise. Im Gegensatz zum uniaxialen piezoresistiven Effekt, wie er bei Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen
ausgenutzt wird, ist der Einfluß hydrostatischen Druckes auf die Bandstruktur unabhängig
von der Orientierung des Halbleiterkristalls, tritt also in gleicher Weise auch
bei polykristallinen Halbleitern auf.
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Die Kenntnis des Verhaltens der Bandstruktur der III-V-Halbleiter
unter Druckeinwirkung gestattet die theoretische Auswahl des zur Druckmessung am
besten geeigneten Materials.
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Der für den erfindungsgemäßen Aufnehmer am besten geeignete
Halbleiter
GaSb hat die Eigenschaft, daß nur 0,1 eV oberhalb des energetisch tiefstliegenden
r-Minimums das L-Minimum liegt, wie Fig. 2 zeigt. Bei Druckeinwirkung nähert sich
nun aufgrund der unterschiedlichen Druckkoeffizienten des energetischen Abstandes
zum Valenzbandmaximum das r-Minimum dem höher liegenden L-Minimum an. Dadurch werden
Elektronen vom stark besetzten r ins schwach besetzte L-Minimum transferiert. Dort
ist ihre Beweglichkeit wesentlich kleiner, woraus eine Erhöhung des elektrischen
Widerstandes des Halbleiters resultiert.
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Durch Druck wird hier ein dem bekannten Gunn-Effekt ähnlicher leitfähigkeitsvermindernder
Elektronentransfer bewirkt, der für Drücke P $ 3 kbar eine nahezu lineare Abnahme
der Elektronenbeweglichkeit /u zur Folge hat. Wird durch hohe n-Dotierung für eine
konstante Zahlt von Leitungsbandelektronen gesorgt, so folgt eine lineare Abnahme
der elektrischen Leitfähigkeit a des GaSb gemäß 0 = e n (P) (e = Elementarladung).
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Das in der vorgeschlagenen Anordnung als Drucksensor benutzte GaSb
kann sehr hoch n-dotiert sein. Dies hat den Vorteil, daß das GaSb eine nahezu lineare
Zunahme des Widerstandes bei steigender Temperatur zeigt. Bis zu Temperaturen von
2000C haben die "eigenleitenden" Ladungsträger nur einen vernachlässigbaren Einfluß
auf die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes.
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Hinzu kommt, daß aufgrund der hohen Dotierung das n-GaSb problemlos
kontaktiert werden kann.
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Auch die Empfindlichkeit gegenüber hydrostatischem Druck ist in nur
geringem Maße temperaturabhängig. Bei eigenleitenden Halbleitern, die eine exponentielle
Temperatur-Widerstands-Charakteristik besitzen, ist die Temperaturempfindlichkeit
von Widerstand und Empfindlichkeit wesentlich größer.
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Die Kompensation der verbleibenden Temperaturabhängigkeit der interessierenden
Parameter wird gemäß der Erfindung mittels p-dotiertem GaSb vorgenommen. Aus der
oben gegebenen Erklärung für die Druckabhängigkeit des n-GaSb folgt unmittelbar,
daß sie nur durch die Elektronentransportphänomene im Leitungsband bedingt ist.
Ist die p-Dotierung des GaSb so hoch, daß auch die druckinduzierte Bandabstandsänderung
und die dadurch verursachte Variation der Zahl der fleigenleitenden1? Ladungsträger
zu vernachlässigen sind, so ist der Widerstand des p-GaSb unabhängig vom einwirkenden
Druck. Hohe Dotierung führt auch beim p-GaSb zu nahezu linearer Widerstands-Temperatur-Charakteristik,
die sehr ähnlich der des n-GaSb ist, allerdings eine geringere Steilheit aufweist.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher
beschrieben. Darin zeigen Fig. 3 einen Druckaufnehmer unter Verwendung geeigneter
Halbleiter-Elemente, Fig. 4 die Abhängigkeit des Nullpunkts von der Temperatur bei
einem Aufnehmer gem. Fig. 3,
Fig. 5 die Spannungsdifferenz zwischen
beiden Halbleiter-Elementen in Abhängigkeit vom Druck bei verschiedenen Temperaturen,
Fig. 6 die Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Druck, und Fig. 7 eine Schaltungsanordnung
unter Verwendung eines Druckaufnehmers nach Fig. 3.
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Der Aufnehmer besteht aus einem Gewindestopfen 1, der in die Wandung
2 eines Druckbehälters oder auch in eine Rohrverschraubung eingesetzt werden kann.
Der Stopfen ist mit Bohrungen 3 zur Aufnahme der elektrischen Leiterdurchführungen
4 versehen.
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Auf der Hochdruckseite 5 sind die beiden Halbleiterkristalle 6 und
7 frei zwischen den Durchführungen angebracht. Zur mechanischen Fixierung der Halbleiter
kann eventuell ein elastischer Siliconkautschuk 8, der sie allseitig umschließt,
verwendet werden. Die Druckbelastbarkeit dieses Aufnehmers ist nur durch die mechanische
Festigkeit des Gewindestopfens 1 bzw. der Druckbehälterwandung 2 begrenzt. Dabei
ist einer der beiden Halbleiter, z.B. 6, ein n-dotierter Kristall, der aufgrund
seiner Druckabhängigkeit als eigentlicher Druckaufnehmer dient, während der andere
7 ein p-dotierter Kristall ist und -druckunabhängig - nur der Temperaturkompensation
dient.
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Wie oben erwähnt, sind die Temperaturabhängigkeiten der Widerstände
bei p- und n-GaSb sehr ähnlich. Daher kann durch einfache Differenzbildung der Spannungsabfälle
über den Halbleiterkristallen die Temperaturdrift des Widerstandes des n-GaSb-Kristalls
(ohne äußere Druckeinwirkung), also dessen Nullpunktdrift,
kompensiert
werden. Durch die Wahl geeigneter Dotierung des p-GaSb kann die Kompensation optimiert
werden. Dann ist die Differenzspannung UD = wUp U Un (1) (Up: Spannungsabfall über
p-GaSb, Un: Spannungsabfall über n-GaSb) bei Wahl eines geeigneten Faktors a nahezu
temperaturunabhängig. Die Bildung der Spannungsdifferenz wird zweckmäßigerweise
durch eine elektronische Schaltung vorgenommen, wie sie weiter unten an Hand der
Fig. 7 erläutert wird. Damit kann auch der Faktor a elektronisch eingestellt werden,
so daß ein Abgleich der Widerstände der Halbleiter-Elemente nicht notwendig ist.
Fig. 4 zeigt die gemessene Abhängigkeit der Spannung UD von der Temperatur für ein
Paar von GaSb-Kristallen mit n = 9,5 . 1O17cm3 und p = 1,45 . 10+19cm 3. a ist von
der absoluten Größe der Halbleiterwiderstände abhängig. Die verbleibende Nullpunktdrift
der Spannung UD ist < 0,04 %/K, bezogen auf ein Ausgangssignal bei 1 kbar Druck.
Im Temperaturintervall von +100 bis +500C ist die Gesamtvariation des Nullpunktes
< 0,7 %. Bei einer Druckbelastung von 1 kbar variiert UD um etwa 10 %. Fig. 5
zeigt die Variation von UD in Abhängigkeit vom einwirkenden hydrostatischen Druck
für verschiedene (festgehaltene) Temperaturen. Die Spannung UD für 0 bar Druck ist
festgehalten, d.h. der Nullpunkt des Aufnehmers wird bei sich ändernder Außentemperatur
nachgeregelt.
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Eine genauere rechnerische Untersuchung der Temperaturabhängigkeit
der
Druckempfindlichkeit anhand dieser Kurven zeigt, daß die Empfindlichkeit mit steigender
Temperatur linear abfällt. Eine Kompensation dieser Empfindlichkeitsdrift kann gemäß
der Beziehung
vorgenommen werden, wobei
Durch Subtrahieren einer festen Spannung (UD)T@TO,P = obar wird also die Aufnehmerausgangsspannung
auf 0 V normiert (für 0 bar Druck bei der Temperatur To). Der Faktor ß in (2) ist
so einzustellen, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist.
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Zur Verifizierung einer Kompensation gemäß (2) wird eine Steuergröße
benötigt, die proportional der Temperatur im Druckmedium ist.Zweckmäßigerweise wird
hierfür der Spannungsabfall Up über dem p-GaSb verwendet, der über einen weiten
Temperaturbereich nahezu linear mit wachsender Temperatur ansteigt. Fig. 6 zeigt
das Ergebnis einer auf diese Weise vorgenommenen Kompensation. Die verbleibende
Drift der Empfindlichkeit ist ß 0,04 9d/K, die Gesamtdrift im Temperaturintervall
von +10° bis +500C ist < 0,5 , wiederum bezogen auf einen Vollausschlag von 1
kbar. Die Nichtlinearität des Druck-Widerstands-Zusammenhanges ist < + 1 , ebenfalls
bezogen auf Vollausschlag.
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Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der die angegebenen Kompensationen
vorgenommen werden können. E bzw. ru sind n- bzw. p-dotierte Halbleiterkristalle
6 bzw. 7 nach Fig. 3.
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Ein erster OperationsverstärkerOP1 bildet die zur Nullpunktkompensation
benötigte Spannung (α+1)uP. Ein zweiter Operationsverstärker OP2 bildet daraus
die Differenz αUp - Un. Gleichzeitig kann hier eine Verstärkung der Ausgangsspannung
erfolgen.
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Ein dritter OperationsverstärkerOP3 bildet die zur Empfindlichkeitskompensation
benötigte Spannung ß((Up)T -(u)TO), was ß (T - To) entspricht. Die Multiplikationgemäß
(2) wird mit einem Analog-Multiplizierer M vorgenommen. ZweckmäBigerweise wird ein
Multiplizierer mit Differenzeingängen X1, Y2 verwendet, so daß hier gleichzeitig
die notwendigen Nullpunkteinstellungen vorgenommen werden können. Mit einem ersten
Potentiometer P1wird am Eingang X2 eine Spannung p n T = T0, p = 0bar eingestellt,
mit einem zweiten Potentiometer P2 am Eingang Y1 eine Spannung von 1 V. Ein drittes
Potentiometer P3 dient zur Einstellung einer T0 entsprechenden Spannung. Der Multiplizierer
bildet die Ausgangsspannung gemäß der Beziehung Uaus = (X1 - x2) (Y1 -also
Dies ist die auf Nullpunkt- und Empfindlichkeitsdrift kompensierte Aufnehmerausgangsspannung
Uaus die an den Ausgängen
"aus", Z1 und Z2 auftritt Obwohl die
Kompensation außerhalb des eigentlichen Druckaufnehmers elektronisch vorgenommen
wrrd5 werden die zur Kom= pensation benötigten Meßsignale innerhalb des Druckaufnehmers
gewonnen, so daß engste thermische Kopplung zwischen druck-und temperaturempfindlichem
Sensor gewährleistet ist. Dies ist wichtig, da speziell bei höheren Drücken dickwandige
Aufnehmergehäuse notwendig sind9 die eine Wärmeleitung vom Druck medium an einen
außerhalb des Druckgefäßes befindlichen Temperatursensor verzögern würden, so daß
messungen bei schnell veränderlichen Temperaturen sehr erschwert wärenc Schnelle
Temperaturänderungen sind vor allem bei großen Druckänderungen aufgrund der nicht
unerheblichen Kompressionswärme des Druckmediums zu erwarten Genaue Messungen sind
daher nur mit einem Tempera-tursensor im Druckmedium möglich. Da bei dem vorgeschlagenden
Aufnehmer Druck- Druck und Temperatursensor aus dem gleichen Material bestehen9
sind auch Wärmekapazität und Wärmeleitung bei beiden Sensoren identisch9 so daß
auch hier keine Verfälschung von Meßergebnissen zu erwarten ist Am Ausgang der Verstärker
OP1 bzw OF3 steht eine Spannung zur Verfügung, die proportional der Temperatur im
Druckmedium ist. Die Erfindung gestattet also die gleichzeitige und unabhängige
Messung von Druck und Temperatur innerhalb des Druckmediums3 was für viele technische
Anwendungen, z.B. die Uberwachung von Hydrauliksystemen, vorteilhaft ist Die Temperatur-
Widerstands-Charakteristik
des p-GaSb ist im Bereich von 0° bis 600C linear innerhalb einer Fehlergrenze von
1 %.
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Es ist auch möglich, die für den vorgeschlagenen Aufnehmer benötigten
n- und p-dotierten Halbleiter-Elemente auf ein und demselben Halbleiter-Kristall
durch nachträgliche Dotierung zu erzeugen.
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Patentansprüche