DE2903253C2

DE2903253C2 - Druck-Meßumformer mit einer Meßmembran, vorzugsweise aus Halbleiterwerkstoff, und einer darauf angebrachten Dehnungsmeßstreifen-Brückenschaltung

Info

Publication number: DE2903253C2
Application number: DE19792903253
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Phys. 7500 Karlsruhe Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1981-02-05
Also published as: JPS6016756B2; DE2903253B1; JPS55101837A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druck-Meßumformer mit einer Meßmembran, vorzugsweise aus Halbleiterwerkstoff, und einer darauf angebrachten DMS-Brückenschaitung.

Bei derartigen Druck-Meßumformern werden die bei der Auslenkung der Meßmembran unter der Wirkung des Meßdrucks auftretenden mechanischen Spannungen mit radialen und tangentialen Komponenten mit Hilfe von entsprechend angeordneten und zu einer Meßbrücke geschalteten Dehnungsmeßstreifens (DMS) in ein dem Meßdruck proportionales elektrisches Signal umgeformt.

Meßmembranen für Druck-Meßumformer lassen sich bekanntlich in sehr kleinen Abmessungen aus Halbleiterwerkstoff herstellen (siehe z. B. Dt-PS 12 14 435). wobei die DMS als Widerslandsleiterbahnen mii Hilfe von Masken in die Membranoberfläche eindntiert oder auf diese aufgedampft werden.

Zur meßtechnischen Erfassung eines möglichst

großen Druckbereichs ist es üblich, eine Baureihe von artgleichen Druckmeßgeräten mit unterschiedlicher Empfindlichkeit ihrer Meßwertaufnehmer, in diesem Falle der Meßmembranen, vorzusehen.

Die Druckempfindlichkeit kann über die Federsteifigkeit der Meßmembran eingestellt werden, und zwar ι» durch Änderung von Membrandurchmesser uno/oder Membrandicke. Aus technologischen Gründen kann bei den bevorzugt verwendeten kreisförmigen Halbleiter-Meßmembranen durch Variation der Membrandicke ein Druck-Meßbereich von etwa zwei dezimalen Größen-Ordnungen erfaßt werden.

Eine Änderung des Membrandurchmessers zwingt in der Regel zu einer Änderung der Anordnung und/oder der Abmessungen der DMS-Brückenschaltung.

Es ist anzustreben, mi; wenigen Meßgeräten bei ²" möglichst wenig Änderungen an ihrem Aufbau einen möglichst großen Meßbereich zu überstreichen.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird in Druck-Meßumformern der eingangs genannten Art gesehen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß ihre Meßmembran von elliptischer Form ist und die Dehnungsmeßstreifen parallel zu der großen und/oder kleinen Hauptachse angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführung sind die DMS-

Brückenwiderstände aus symmetrischen und parallel zu einer der Hauptachsen angeordneten Teüstücken von piezoresistiven Leiterbahnen gebildet, deren größte lineare Ausdehnung der Länge der großen Hauptachse der Ellipse für hohe Drücke bzw. der Länge der kleinen Hauptachse einer anderen Ellipse für niedrige Drücke

'' entspricht.

Anordnung, Abmessungen und Ausführung der DMS-Brückenwiderstände kann in beiden Fällen gleich bleiben, wenn die kleine Hauptachse der größeren elliptischen Membran gleich der großen Hauptachse der ""> kleineren elliptischen Membran gr-wählt wird. Zu ändern ist lediglich die die Form der Membran bestimmende Maske bei der Herstellung der monolithischen Halbleiter-Membranelemente mittels einer der bekannten Abtragetechniken, beispielsweise durch ·»■■ Ätzen.

Wird, was bei dieser Herstellungsweise ohne weiteres realisierbar ist, auch die Membrandicke variiert, so lassen sich mit einigen wenigen, abmessungsmäßig unterschiedlichen Membrantypen bei sonst gleichem ">" Aufbau der elektrischen Teile der Meßumformer Drücke im Bereich von 10-²bis \Q² bar messen.

Zur Erläuterung der Erfindung sind in den Figuren Ausführungsbeispiele dargestellt und im folgenden beschrieben.

^v< Fig. I: In einem monolithischen Membranträgerelement 1 aus η-leitendem Silizium ist durch Abtragung eines Teils der Materialstärke von der unteren Seite hier (siehe Fig. 2) eine Meßmembran 2 von elliptischem Umriß geschaffen, deren Randspur 3 gestrichelt ^w) angedeutet ist. Das Verhältnis von kleiner zu großer Hauptachse der Ellipse betrage 1 :2.

In die Oberfläche der so entstandenen Meßmembran 2 sind piezoresistive Leiterbahnen 4 parallel und spiegelbildlich zu der kleinen Hauptachse der ellipti-'" sehen Meßmembran 2 eindotiert und durch bogenförmige Endstücke 5 verbunden. Teilstücke der Leiterbahnen 4 bilden die Brijckenwiderständc a, b, c und d einer auf die radialen .Spannungskomponenten ansprechenden

DMS-WiderstandsmeBbrücke, deren Eck- bzw. Anschlußpunkte 6 so angeordnet sind, daß sie im Bereich der Vorzeichenumkehr der radialen Spannungskomponente in der Oberfläche der ausgelenkten Meßmembran liegen. Von den Eckpunkten 6 führen Anschlußleitungen 7 aus gut leitendem Material zu Flächen 8, auf welchen flexible Arschlußdrähte befestigt werden können.

Diese Art einer eindimensionalen Anordnung der DMS entlang einer Achse ist hier für eine wenig oder keine Änderungen erfordernde Brückenschaltung besonders geeignet.

Eine andere Druckempfindlichkeit läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß, wie in Fig.3 dargestellt, Meßmembranträgerelement 1 und die auf seiner einen Fläche angebrachte DMS-Meßbrückenanordnung mit identischen Abmessungen beibehalten werden und lediglich die elliptische Meßmembran 2 so angeordnet wird, daß ihre große Hauptachse zwischen den piezoresistiven Leiterbahnen 4 verläuft und deren Länge aufweist.

Fig.2 zeigt einen Schnitt A-A' sowohl durch die Ausführung nach F i g. 1 wie auch durch die nach F i g. 3. Man erkennt den Meßmembranträger 1 in Fr.-m ^ies monolithischen Si-Substrates und die zur Ausbildung der Meßmembran 2 geschaffene Ausnehmung 9. Die Dicke der Meßmembran 2 kann zwischen 5 und 100 μιη liegen. Auf der der Ausnehmung 9 gegenüberliegenden Seite des Membranträgers 1 ist im Bereich der Meßmembran 2 in der Oberfläche derselben die piezoresistive Leiterbahn 4 eindotiert.

Bildet man, wie an sich bekannt, die Meßmembran 2 als Sonderfall der Ellipse kreisförmig aus, so läßt sich bei gleichem Aufbau der Meßmembranträger und der DMS-Widerstandsanordnung der Meßbereich der kreisförmigen Meßmembran nach oben und unten durch Verwendung von elliptischen Meßmembranen erheblich erweitern.

Mit einer Baureihe von drei Meßumformern gleichen Aufbaus ist praktisch, wie in Fig.4 dargestellt, mit gleichen Meßmembranträgern und gleichen DMS-Brükkenanordnungen lediglich durch Änderung der Form der Meßmembran bei gleichbleibender Membrandicke ein Meßbereich von beispielsweise 0,1 bis 10 bar zu beherrschen. Für den an den Meßbereich der kreisförmigen Meßmembran anschließenden Bereich höheren Drucks läßt sich ein Druck-Meßumformer mit elliptischer Meßmembran mit DMS-Anordnung parallel zur großen Hauptachse einsetzen, entsprechend für niedrigere Drücke ein solcher mit elliptische»· Meßmembran mit DMS-Anordnung parallel zur kleinen Hauptachse.

Wird außer der Form der Membranen bei im übrigen gleichbleibendem Aufbau auch noch die Dicke der Meßmembranen variiert, so kann der Meßbereich r.ach oben und unten noch um mindestens eine dezimale Größenoi unung erweitert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druck-Meßumformer mit einer MeQmembran, vorzugsweise aus Halbieiterwerkstoff, und einer darauf angebrachten DMS-Brückenschaltung, d a durch gekennzeichnet, daß die Meßmembran (2) von elliptischer Form ist und die Dehnungsmeßstreifen parallel zu der großen und/oder kleinen Hauptachse der Ellipse angeordnet sind.

2. Druck-Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch und parallel zu einer der Hauptachsen piezoresistive Leiterbahnen (4) angeordnet sind, die an ihren Enden über bogenförmige Endstücke (5) verbunden die Brükkenwiderstände (a, b. c, d) einer DMS-Brückenschaltung bilden, deren größte lineare Ausdehnung der Länge der großen Hauptachse der elliptischen Meßmembran (2) entspricht.

3. Druck-Mißumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß symmetrisch und parallel zu mindestens einer der Hauptachsen piezoresistive Leiterbahnen (4) angeordnet sind, die an ihren Enden über bogenförmige Endstücke (5) verbunden die Brückenwiderstände (a, b, cd) einer DMS-Brükkenschaltung bilden, deren größte lineare Ausdehnung der Länge der kleinen Hauptachse der elliptischen Meßmembran (2) entspricht.

4. Druck-Meßumformer nach Anspruch 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der großen Hauptachse dtr elliptischen Meßmembran (2) nach Anspruch 2 gleich der Länge der kleinen Hauptachse der elliptischen Meßmembraii (2) nach Anspruch 3 ist.

5. Verwendung von Druck-Mv. ^umformern nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 mit gleichen DMS-Brückenschaltungen für hohe, mittlere und niedrige Drücke, gekennzeichnet durch

a) einen Druck-Meßumformer für hohe Drücke mit elliptischer Meßmembran (2) und DMS-Anordnung parallel zur großen Hauptachse,

b) einen Druck-Meßumformer für mittlere Drücke mit kreisrunder Meßmembran (2) und DMS-Anordnung parallel zu einem Durchmesser,

c) einen Druck-Meßumformer für niedrige Drükke mit elliptischer Meßmembran und DMS-Anordnung parallel zur kleinen Hauptachse.