WO2011039567A1 - Measuring device comprising a detunable resistor - Google Patents

Abstract

The invention relates to a device for measuring a physical variable. Said device has a Wheatstone bridge in which at least one bridge resistor contains at least one deformation-sensitive ohmic measuring resistor that generates an electrically evaluable signal corresponding to a deformation. In addition, a detuning resistor (K) is provided that can optionally be connected, directly or indirectly in parallel, to at least one resistor in the Wheatstone bridge. Additionally, the bridge has a non deformation-sensitive resistor (F) which is connected in series to the deformation-sensitive measuring resistor (C) in the bridge resistor. The detuning resistor is connected to the Wheatstone bridge by means of a switch (a), therefore allowing connection or disconnection of the bridge detuning process.

Description

MESSVORRICHTUNG MIT VERSTIMMBAREM WIDERSTAND  MEASURING DEVICE WITH COMPATIBLE RESISTANCE

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung von physikalischen Größen, wie Kraft, Druck, Temperatur, The invention relates to a measuring device for measuring physical quantities, such as force, pressure, temperature,

Drehmoment oder Kombinationen davon. In dieser Torque or combinations thereof. In this

Messvorrichtung werden Deformationen einer Membran aus Metall, an der die zu messende Größe in irgendeiner Weise angreift, mittels deformationsbedingter Veränderungen ohmscher Widerstände elektrisch erfasst. Measuring device are detected deformations of a membrane made of metal, in which the size to be measured in any way, by means of deformation-induced changes ohmic resistors.

Aus der DE 195 27 687 AI ist ein Sensor bekannt, der auf eine Messmembran aufgebrachte Dünnschichtwiderstände hat, die in Form von zwei Wheatstone' sehen Brücken an solchen Orten der Messmembran angeordnet sind, dass zwei From DE 195 27 687 AI a sensor is known, which has applied to a measuring membrane thin film resistors, which are arranged in the form of two Wheatstone bridges at such locations of the measuring membrane that two

Widerstände einer Brücke im Bereich der Stauchung der belasteten Membran angeordnet sind, während die anderen Widerstände im Bereich der Dehnung der belasteten Membran angeordnet sind. Auf diese Weise sollen Veränderungen erkannt werden, die redundante Messbrückenanordnungen insgesamt beeinträchtigen, aber allein durch Vergleich der beiden Brücken nicht erkannt werden können, da sie beide Brücken gleichermaßen betreffen, wie z.B. Alterung, Resistors of a bridge in the region of the compression of the loaded membrane are arranged, while the other resistors are arranged in the region of the strain of the loaded membrane. In this way, changes are to be recognized which affect redundant measuring bridge arrangements as a whole, but can not be recognized solely by comparing the two bridges, since they equally affect both bridges, such as e.g. aging,

Materialermüdung, Korrosion etc.. Material fatigue, corrosion etc.

Ferner zeigt Fig. 9 eine herkömmliche Anordnung einer Further, Fig. 9 shows a conventional arrangement of a

Wheatstone' sehen Brücke, die mit einem zuschaltbaren Wheatstone 'bridge that with a switchable

Verstimmwiderstand ausgerüstet ist. Wird der bekannte Abstimmwiderstand is equipped. Will the well-known

Verstimmwiderstand zugeschaltet, lässt sich aus der Be switched off resistance, can be from the

Reaktion der Brücke auf diese Widerstandsänderung an einem ihrer Brückenwiderstände auf den Zustand der Brücke Reaction of the bridge to this resistance change at one of its bridge resistors to the state of the bridge

schließen, so dass Veränderungen der Brücke durch Alterung, Materialermüdung, Korrosion etc. erkannt werden können. Jedoch erfordert diese Anordnung einen Verstimmwiderstand, der in der Regel im Bereich des etwa tausendfachen der Brückenwiderstände liegt, deren Widerstand durch die so that changes in the bridge can be detected by aging, material fatigue, corrosion, etc. However, this arrangement requires a Verstimmwiderstand, which is usually in the range of about a thousand times the Bridge Resistors lies, whose resistance through the

Messaufgabe und den Aufbau z.B. als DMS vorgegeben ist. Hochohmige Widerstände sind teure Bauteile, wenn eine entsprechende Präzision und Lebensdauer erforderlich ist. Measuring task and the structure of e.g. is specified as DMS. High-impedance resistors are expensive components if precision and durability are required.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung vorzuschlagen, die mit einfachen Mitteln zuverlässig eine hohe Messgenauigkeit liefert . Based on the prior art, the present invention seeks to propose a measuring device that provides reliable high accuracy with simple means.

Diese Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung mit den This object is achieved with a measuring device with the

Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Characteristics of claim 1 solved. advantageous

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt . Embodiments of the invention are shown in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe hat mindestens eine Wheatstone ' sehen Brücke in der mindestens ein Brückenwiderstand mindesten einen deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstand enthält, der entsprechend einer Deformation ein elektrisch auswertbares Signal erzeugt. The measuring device according to the invention for measuring a physical quantity has at least one Wheatstone bridge in which at least one bridge resistor contains at least one deformation-sensitive ohmic measuring resistor which generates an electrically evaluable signal in accordance with a deformation.

Eine Wheatstone' sehe Brücke hat zwei Spannungsteiler mit jeweils zwei Brückenwiderständen -also vier A Wheatstone bridge has two voltage dividers, each with two bridge resistors - four

Brückenwiderstände-, die zu einer H-Schaltung oder Bridge Resistors- which lead to a H-circuit or

Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, wobei eine an die beiden Spannungsteiler am mittleren Abgriff angeschlossene Leitung als Brückenzweig bezeichnet wird. Der Ausdruck Brückenwiderstand bezeichnet in diesem Text und in den Ansprüchen ein solches Widerstandselement des Bridge circuit are interconnected, wherein one of the two voltage divider connected to the middle tap line is referred to as a bridge branch. The term bridge resistance in this text and in the claims means such a resistance element of the

Spannungsteilers zwischen zwei Abgriffen. Voltage divider between two taps.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung hat ferner eine The measuring device according to the invention also has a

Auswerteeinheit, die mit der Wheatstone' sehen Brücke verbunden ist. Ein Verstimmwiderstand ist zu mindestens einem Widerstand (ein Brückenwiderstand kann mehrere Evaluation unit connected to the Wheatstone 'bridge. A detuning resistance is at least a resistor (a bridge resistor can be several

Widerstände enthalten) in der Wheatstone' sehen Brücke mittel- oder unmittelbar parallel wahlweise zuschaltbar. Erfindungsgemäß ist ferner ein deformationsunempfindlicher Widerstand vorgesehen, der mit dem Resistors included) in the Wheatstone 'see bridge medium or directly parallel optional switchable. According to the invention, a deformation-insensitive resistance is further provided, which with the

deformationsempfindlichen Messwiderstand in dem deformation-sensitive measuring resistor in the

Brückenwiderstand in Reihe geschaltet ist. Bridge resistance is connected in series.

Der deformationsunempfindliche Widerstand und der The deformation-insensitive resistance and the

zuschaltbare Verstimmwiderstand können niederohmig sein, d.h. im Bereich von etwa 20 bis 200 Ohm liegen. Diese Bauteile sind langzeit- und temperaturstabil, preiswert und als handelsübliche Standartbauteile auch schon mit hoher Genauigkeit erhältlich. switchable Verstimmwiderstand can be low impedance, i. in the range of about 20 to 200 ohms. These components are long-term and temperature stable, inexpensive and available as a standard commercial components even with high accuracy.

Zudem wurde gefunden, dass die erfindungsgemäße In addition, it was found that the inventive

Messvorrichtung gegen ungewollte Einflüsse unempfindlicher ist, z.B. Rauschen oder Schmutz, der sich zwischen den Abgriffen oder Kontaktpunkten auf Oberflächen der Measuring device against unwanted influences is less sensitive, e.g. Noise or dirt extending between the taps or contact points on surfaces of the

Messvorrichtung ablagern kann und ungewollte Strompfade bildet, sowie Temperaturänderungen. Can deposit measuring device and forms unwanted current paths, as well as temperature changes.

Vorzugsweise sind in der Messvorrichtung mindestens zwei Brückenwiderstände einer Wheatstone' sehen Brücke jeweils von zwei in Reihe geschalteten Widerständen gebildet, zwischen denen ein elektrischer Anschluss vorgesehen ist, an den der Verstimmwiderstand angelegt werden kann. Auf diese Weise kann man den Nullpunkt der Brückenspannung verstimmen . Preferably, in the measuring device, at least two bridge resistors of a Wheatstone bridge are each formed by two series-connected resistors, between which an electrical connection is provided, to which the detuning resistor can be applied. In this way you can detune the zero point of the bridge voltage.

Praktisch ist es, wenn der Verstimmwiderstand über einen Schalter mit der Wheatstone' sehen Brücke verbunden ist, so dass eine einfache Verstimmung der Brücke möglich ist. Die Messvorrichtung kann mehrere deformationsempfindliche ohmsche Messwiderstände haben, die zur Bildung von It is practical if the detuning resistor is connected to the Wheatstone 'bridge via a switch, so that a simple detuning of the bridge is possible. The measuring device can have a plurality of deformation-sensitive ohmic measuring resistors, which are used to form

mindestens zwei Wheatstone' sehen Vollbrücken miteinander verschaltet sind, wobei es ausreicht, wenn mindestens ein Widerstand einer der Brücken mit dem Verstimmwiderstand beschaltet werden kann. at least two Wheatstone 'full bridges are interconnected, it being sufficient if at least one resistor of one of the bridges can be connected to the Verstimmwiderstand.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann eine Membran haben, die entsprechend einer zu messenden Größe The measuring device according to the invention may have a membrane corresponding to a size to be measured

deformierbar ist. Je nach Gestaltung und Einsatz der is deformable. Depending on the design and use of the

Membran können Biegekräfte, Zugkräfte, Druckkräfte, Membrane may include bending forces, tensile forces, compressive forces,

Drehmomente oder auch Wärmedehnungen, die unterschiedliche, zu messende Ursachen haben können, auf die Membran Torques or thermal expansions that may have different causes to be measured on the membrane

einwirken. Die zu messende Größe kann somit direkte oder indirekte Ursache für die Deformation der Membran sein, so dass ein Zusammenhang zwischen der Deformation der Membran und deren Ursache (d.h. der zu messenden Größe) besteht und den Rückschluss auf die zu messende Größe zulässt. act. The quantity to be measured can thus be a direct or indirect cause of the deformation of the membrane, so that there is a correlation between the deformation of the membrane and its cause (i.e., the quantity to be measured) and the conclusion about the size to be measured.

Vorzugsweise sind die deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstände in Metalldünnschichttechnik auf der Membran ausgebildet und verändern entsprechend der Deformation der Membran ihren Wert. Solche Widerstände, deren Widerstand sich mit einer Deformation ändert, werden in Form von The deformation-sensitive ohmic measuring resistors are preferably formed on the membrane in metal thin-film technology and change their value according to the deformation of the membrane. Such resistors, whose resistance changes with a deformation, are in the form of

Dehnungsmessstreifen DMS verbreitet verwendet. In Strain gages DMS widely used. In

Metalldünnschichttechnik auf der Membran ausgebildete Metal thin film technique formed on the membrane

Widerstände sind verfahrensbedingt sehr fest mit der Resistors are due to the process very firmly with the

Membran auf quasi atomarer Ebene mit dem Metall verbunden. Kriecheffekte etc., die in der Trennung der Widerstände von dem (Metall ) träger ihre Ursache haben können, sind dadurch sicher vermieden. Membrane connected to the metal on a quasi-atomic level. Creep effects, etc., which may have their cause in the separation of the resistors of the (metal) carrier, are thereby safely avoided.

Eine zweckmäßige Anbindung der Messvorrichtung an ihre externe Schaltung ergibt sich, wenn vorzugsweise jede An appropriate connection of the measuring device to its external circuit is obtained, if preferably each

Wheatston' sehe Brücke mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen auf der Membran zum Anschluss einer Wheatston's bridge with four or five electric ones Connection surfaces on the membrane for connecting a

Auswerteeinheit versehen ist. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie sich anhand des Signals der verstimmten Brücke selbst überprüfen kann. Evaluation unit is provided. The evaluation unit is preferably designed such that it can check itself based on the signal of the detuned bridge.

Bei der Anordnung mehrerer Wheatstone' scher Brücken ist es vorteilhaft, wenn die Widerstände jeder Brücke jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander angeordnet sind und die einzelnen Brücken relativ zueinander verschieden ausgerichtet angeordnet sind. Wenn die Brücken relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, sind zueinander senkrechte Deformationen grundsätzlich unmittelbar erfassbar. Wenn zwei Brücken vorgesehen sind, die relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet In the arrangement of several Wheatstone shear bridges, it is advantageous if the resistors of each bridge are arranged in pairs at right angles to each other and the individual bridges are arranged differently oriented relative to each other. If the bridges are arranged offset relative to each other by 90 °, mutually perpendicular deformations are basically directly detectable. If two bridges are provided which are offset relative to each other by 45 °

angeordnet sind, gilt diese Überlegung für im 45°- Winkel gerichtete Deformationen. are arranged, this consideration applies to 45 ° - directed angle deformations.

Wie bereits zuvor erwähnt können in den oben ausgeführten Schaltungen niederohmige Standardwiderstände eingesetzt werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie As already mentioned above, in the above-described circuits, standard low impedance resistors can be used, which are characterized in that they

temperaturstabil, unempfindlich gegen Rauschen und temperature stable, insensitive to noise and

unempfindlich gegen Verschmutzungen, bzw. parasitäre Insensitive to contamination, or parasitic

Einflüsse sind. Influences are.

In der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist also auch für hochohmige Messwiderstände ein Prüfsprung, also eine gezielte Verstimmung, mit stabilen, niederohmigen In the measuring device according to the invention, therefore, even for high-impedance measuring resistors a test jump, so a deliberate detuning, with stable, low-impedance

Widerständen möglich. Resistors possible.

In vorteilhafter Ausgestaltung können auch mehr als zwei Brücken vorgesehen sein, so können bspw. zwei Brücken relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sein und eine weitere Brücke ist gegenüber den beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet. Möglich ist auch eine Anordnung von Brücken, in der zwei Brückenpaare vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind. Die Erfassung der Deformationen kann damit entsprechend erfolgen . In an advantageous embodiment, more than two bridges can be provided, so for example. Two bridges can be arranged offset relative to each other by 90 ° aligned and another bridge is offset relative to the two mutually perpendicular bridges arranged offset by 45 °. Possible is also an arrangement of bridges, in which two pairs of bridges are provided, which have relative to each other offset by 90 ° aligned arranged bridges, wherein the two pairs of bridges are arranged offset relative to each other by 45 °. The detection of the deformations can thus be carried out accordingly.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter The invention will be described below with reference to preferred

Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt: Embodiments with reference to the schematic drawing explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines ersten  Fig. 1 is a sectional view of a first

Ausführungsbeispiels eines in einen Metallkörper Embodiment of a metal body

eingeschweißten Sensorelements; welded sensor element;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines zweiten  Fig. 2 is a sectional view of a second

Ausführungsbeispiels eines in einen Metallkörper Embodiment of a metal body

eingeschweißten Sensorelements; welded sensor element;

Fig. 3 eine mit der Erfindung verwendbare  Fig. 3 is a usable with the invention

Wheatstone' sehe Brückenschaltung; Wheatstone's bridge circuit;

Fig. 4 eine mit der Erfindung verwendbare externe Beschaltung der Brückenschaltung aus Fig. 3;  4 shows an external circuit of the bridge circuit from FIG. 3 that can be used with the invention;

Fig. 5 eine mit der Erfindung verwendbare  Fig. 5 is a usable with the invention

beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone' sehen see an exemplary arrangement of two Wheatstone '

Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; Bridge circuits on the sensor element;

Fig. 6 eine weitere mit der Erfindung verwendbare beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone' sehen  Fig. 6 shows another exemplary arrangement of two Wheatstone usable with the invention

Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; Bridge circuits on the sensor element;

Fig. 7 noch eine mit der Erfindung verwendbare  Fig. 7 still a usable with the invention

beispielhafte Anordnung von zwei Wheatstone' sehen see an exemplary arrangement of two Wheatstone '

Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; Bridge circuits on the sensor element;

Fig. 8 eine mit der Erfindung verwendbare  Fig. 8 is a usable with the invention

beispielhafte Anordnung von drei Wheatstone' sehen see an exemplary arrangement of three Wheatstone '

Brückenschaltungen auf dem Sensorelement; und Bridge circuits on the sensor element; and

Fig. 9 eine Wheatstone' sehe Brückenschaltung nach dem Stand der Technik mit Verstimmwiderstand. Fig. 1 zeigt ein Sensorelement 10 im Schnitt, das in einen Metallkörper 2 eingebaut ist. Das Sensorelement 10 hat einen topfförmig ausgebildeten Metallträger 1 mit einer Membran und einer Eindrehung E an seinem Umfang, so dass ein Flanschabschnitt 3 gebildet ist, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem Metallkörper 2 verbunden ist. Der deformierbare Metallkörper 2 hat eine im Wesentlichen laschenförmige Gestalt, die in dieser schematischen 9 shows a Wheatstone bridge circuit according to the prior art with detuning resistance. Fig. 1 shows a sensor element 10 in section, which is installed in a metal body 2. The sensor element 10 has a pot-shaped metal carrier 1 with a membrane and a recess E on its circumference, so that a flange portion 3 is formed, which is connected by means of a weld 4 with the metal body 2. The deformable metal body 2 has a substantially tab-like shape, which in this schematic

Schnittansicht nicht gezeigt ist, in die eine Bohrung eingebracht ist, in die das Sensorelement 10 eingesetzt ist. Die Materialstärke oder Blechdicke des deformierbaren Metallkörpers 2 ist in der Darstellung der Fig. 1 mit t bezeichnet und liegt im Bereich von 0,2 bis 1,2 mm. Der topfförmige Metallträger 1 des Sensorelements 10 hat den erwähnten Flansch 3 ausgebildet, dessen axiale Dicke in etwa der Materialstärke t des deformierbaren Metallkörpers 2 entspricht. Wie in Fig. 1 deutlich zu erkennen ist, ist die Schweißnaht 4 so angebracht, dass sie das gesamte Sectional view is not shown, in which a bore is introduced, in which the sensor element 10 is inserted. The material thickness or sheet thickness of the deformable metal body 2 is designated in the illustration of FIG. 1 with t and is in the range of 0.2 to 1.2 mm. The pot-shaped metal carrier 1 of the sensor element 10 has formed said flange 3, whose axial thickness corresponds approximately to the material thickness t of the deformable metal body 2. As can be clearly seen in Fig. 1, the weld 4 is mounted so that it covers the entire

Material des Metallkörpers 2 in dessen Dickenrichtung durchdringt. Die Eindrehung E gewährleistet dabei, dass die beim Schweißen mittels Laserstrahl entwickelte Wärme sich in dem Metallträger 1 nicht nennenswert fortsetzt, so dass die Schweißnaht 4 räumlich und thermisch von der Sensorik 5 (nicht gezeigt) des Sensorelements 10 getrennt ist, die auf der in Fig. 1 linken Deckelfläche des topfförmigen Material of the metal body 2 penetrates in the thickness direction. The recess E ensures that the heat developed during welding by means of laser beam does not continue appreciably in the metal carrier 1, so that the weld seam 4 is spatially and thermally separated from the sensor system 5 (not shown) of the sensor element 10, which on the in FIG 1 left cover surface of the cup-shaped

Metallträgers 1 angebracht ist. In diesem Metal carrier 1 is attached. In this

Ausführungsbeispiel ist eine Zuglasche gestaltet und beschrieben; diese könnte aber auch gleichermaßen ein anderes Messsystemelement sein, wie z.B. eine Messachse oder dergleichen. Embodiment is designed and described a pull tab; however, it could equally well be another measuring system element, e.g. a measuring axis or the like.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist in einen Metallkörper 2 ein In an alternative embodiment of the invention, which is shown in Fig. 2, is in a metal body 2 a

Sensorelement 10 eingesetzt, das ebenfalls einen Flansch 3 ausgebildet hat, der mittels einer Schweißnaht 4 mit dem umgebenden Metallkörper 2 verbunden ist. Im Unterschied zu der Gestaltung gemäß Fig. 1 ist hier der Flansch 3 als sich radial erstreckender Abschnitt eines topfförmigen Sensor element 10 is used, which has also formed a flange 3, which by means of a weld 4 with the surrounding metal body 2 is connected. In contrast to the design according to FIG. 1, the flange 3 is here as a radially extending portion of a cup-shaped

Metallträgers 1 des Sensorelements 10 ausgebildet. Ähnlich der Ausführungsform in Fig. 1 ist auch hier die Metal carrier 1 of the sensor element 10 is formed. Similar to the embodiment in Fig. 1 is also the here

Materialdicke des Flanschs 3 der Materialdicke des Material thickness of the flange 3 of the material thickness of

deformierbaren Metallkörpers 2 angepasst, so dass beide in etwa die Materialstärke t haben. Auch in diesem Beispiel kann die Materialstärke t zwischen 0,2 und 1,2 mm liegen. In Fig. 2 ist ferner die Sensorik 5 des Sensorelements 1 angedeutet, die auf der in Fig. 2 linken Seite auf der Deckelfläche des topfförmigen Metallträgers 1 angebracht ist. Die Deckelfläche mit der Sensorik 5 ist im Abstand h von der zugewandten Oberfläche des Metallkörpers 2 bzw. der zugewandten Oberfläche des Flanschabschnitts 3 des adapted deformable metal body 2, so that both have approximately the material thickness t. Also in this example, the material thickness t can be between 0.2 and 1.2 mm. In Fig. 2, the sensor 5 of the sensor element 1 is further indicated, which is mounted on the left in Fig. 2 side on the cover surface of the cup-shaped metal carrier 1. The cover surface with the sensor 5 is at a distance h from the facing surface of the metal body 2 and the facing surface of the flange portion 3 of

Metallträgers 1 angeordnet. Dieser Abstand h ist so Metal carrier 1 is arranged. This distance h is like that

gewählt, dass sowohl der Anbau von Auswerteelektronik als auch die Hebelverhältnisse für die Erfassung der chosen that both the cultivation of transmitter and the leverages for the detection of

Deformationen des deformierbaren Metallkörpers 2 optimiert sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Schweißnaht 4 in Dickenrichtung vollständig durch den Deformations of the deformable metal body 2 are optimized. Also in this embodiment, the weld 4 extends in the thickness direction completely through the

Metallkörper 2. Metal body 2.

In Fig. 3 ist eine Anordnung deformationsempfindlicher und deformationsunempfindlicher ohmscher Widerstände in FIG. 3 shows an arrangement of deformation-sensitive and deformation-insensitive ohmic resistors in FIG

Wheatstone' scher Brückenschaltung gezeigt, die als Sensorik 5 auf dem Metallträger 1 des Sensorelements 10 in Wheatstone 'shear bridge circuit shown as the sensor 5 on the metal support 1 of the sensor element 10 in

Dünnschichttechnik ausgebildet sind. Es ist zu erwähnen, dass diese Brückenschaltungen auch mehrfach auf demselben Sensorelement und in verschiedenen Ausrichtungen zueinander ausgebildet sein können, wie später unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 8 näher erläutert wird. Thin-film technology are formed. It should be noted that these bridge circuits can also be formed several times on the same sensor element and in different orientations to each other, as will be explained in more detail later with reference to Figures 5 to 8.

Fig. 3 zeigt eine Wheatstone' sehe Brücke mit insgesamt sechs Widerständen A, B, C, D, E, F. Die Widerstände A und B sind rechtwinklig zueinander angebracht, während die Widerstandsgruppen D, E und C, F ebenfalls rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Um die quadratische Anordnung zu erreichen, ist die Widerstandsgruppe D, E parallel zum Widerstand B angeordnet und die Widerstandsgruppe C, F ist parallel zum Widerstand A angeordnet. Die in Fig. 3 gezeigten weiteren Widerstände G, H dienen der 3 shows a Wheatstone bridge with a total of six resistors A, B, C, D, E, F. The resistors A and B are mounted at right angles to each other, while the resistance groups D, E and C, F are also arranged at right angles to each other. In order to achieve the square arrangement, the resistor group D, E is arranged parallel to the resistor B and the resistor group C, F is arranged parallel to the resistor A. The further resistors G, H shown in FIG

Temperaturkompensation. In bekannter Weise sind die gezeigten Widerstände A bis H mit Anschlusspunkten 11, 12, 13, 14, 15, 16 verbunden. Die Abgriffe 12 und 14 sind zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen D, E beziehungsweise C, F angeordnet. Die Brückenspannung wird zwischen den Kontakten 13 und 16 abgegriffen, während die Anschlussflächen 12 und 14 dazu verwendet werden, die Brücke zu verstimmen. Mindestens einer der Widerstände C oder D ist ein deformationsempfindlicher ohmscher Temperature compensation. In a known manner, the resistors A to H shown with connection points 11, 12, 13, 14, 15, 16 are connected. The taps 12 and 14 are arranged between the series resistors D, E and C, F, respectively. The bridge voltage is tapped between the contacts 13 and 16, while the pads 12 and 14 are used to detune the bridge. At least one of the resistors C or D is a deformation-sensitive resistive

Messwiderstand, während die Widerstände E bzw. F Measuring resistor, while the resistors E and F

deformationsunempfindliche ohmsche Widerstände sind, die mit ihrem zugeordneten Widerstand D bzw. C zur Bildung des jeweiligen Brückenwiderstands in Reihe geschaltet sind. deformation-insensitive ohmic resistors are connected in series with their associated resistor D or C to form the respective bridge resistance.

Fig. 4 zeigt die Beschaltung der auf der linken Seite der Fig. 4 gezeigten Wheatstone' sehen Brückenschaltung gemäß Fig. 3, die bereits im Einzelnen erläutert wurde. Die Brückenschaltung jenseits der strichpunktierten Linie ist auf dem Sensor angebracht, während rechts dieser FIG. 4 shows the wiring of the Wheatstone bridge circuit shown in FIG. 4 on the left side of FIG. 4, which has already been explained in detail. The bridge circuit beyond the dotted line is mounted on the sensor, while to the right of this

strichpunktierten Linie in Fig. 4 die externe Schaltung schematisch wiedergegeben ist. Zusätzlich zu den zuvor genannten Widerständen A bis H sind die Widerstände J, I und K vorgesehen. K ist ein verstellbarer Widerstand oder Verstimmwiderstand. Die Widerstände I und J sind in Reihe zueinander und parallel zu den Widerständen E und F geschaltet. Zwischen den beiden Widerständen I und J ist ein Abgriff 12 ' vorgesehen, der über einen Schalter a mit dem einen Ende des Widerstands K verbindbar ist, der an seinem anderen Ende mit dem Anschlusspunkt 12 bzw. dem Widerstand I verbunden ist. dash-dotted line in Fig. 4, the external circuit is shown schematically. In addition to the aforementioned resistors A to H, the resistors J, I and K are provided. K is an adjustable resistor or detuning resistor. The resistors I and J are connected in series with each other and in parallel with the resistors E and F. Between the two resistors I and J, a tap 12 'is provided, which is connectable via a switch a to the one end of the resistor K, the at its other end to the connection point 12 and the resistor I is connected.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch den Schalter a die Parallelschaltung der Widerstände I und K in Reihe mit dem Widerstand J unterbrochen oder ausgeschaltet werden, so dass nur noch die Widerstände I und J in Reihe miteinander und parallel mit den Widerständen E und F verschaltet sind. Diese als gezielte Verstimmung der Brücke bezeichnete Maßnahme kann in Zusammenarbeit mit einer geeigneten Auswerteeinheit nunmehr dazu verwendet werden, die Antwort einzelner Komponenten auf diese Signaländerung dahingehend auszuwerten, dass ein ordnungsgemäßer In the present embodiment can be interrupted or turned off in series with the resistor J by the switch a, the parallel connection of the resistors I and K, so that only the resistors I and J in series with each other and in parallel with the resistors E and F are connected. This measure, referred to as targeted detuning of the bridge, can now be used, in cooperation with a suitable evaluation unit, to evaluate the response of individual components to this signal change in such a way that a proper one can be evaluated

Funktionszustand oder eine Fehlfunktion dieser Bauteile ermittelt werden kann. Anders ausgedrückt, durch diese gezielt verstimmbare Brücke ist es möglich, unabhängig von der Änderung der Widerstände in der Brücke selbst, die Funktionsfähigkeit der Auswerteeinheit zu prüfen. Selbst wenn eine fehlerhafte Messung seitens der Brücke vorläge, so ist doch der Unterschied des Signals bei unverstimmter und verstimmter Brücke ein hinreichend genau festgelegter Signalwert, der diese Analyse der Auswerteelektronik gestattet. Zudem kann dann aus dem Prüfungsergebnis auf den Zustand der Messbrücke geschlossen werden. Function state or malfunction of these components can be determined. In other words, it is possible by means of this deliberately tunable bridge to check the functionality of the evaluation unit independently of the change in the resistances in the bridge itself. Even if there is an erroneous measurement from the bridge, the difference in the signal with an unbalanced and detuned bridge is a well-defined signal value that allows this analysis of the transmitter. In addition, it can then be concluded from the test result on the condition of the measuring bridge.

Zusätzlich zu den obigen Ausführungen ist hier darauf hinzuweisen, dass weitere Widerstände in der Brücke oder auch in der Auswerteeinheit vorgesehen werden können, die dann Funktionen übernehmen können wie In addition to the above statements, it should be pointed out here that further resistances can be provided in the bridge or in the evaluation unit, which can then assume functions such as

Temperaturkompensation oder dergleichen. So sind zum  Temperature compensation or the like. So are to

Beispiel die Widerstände E und F Abgleichwiderstände, die mittels Lasertrimmung zum Abgleich der Brücke fest Example the resistors E and F trimming resistors fixed by means of laser trimming to balance the bridge

eingestellt werden können. Die in den Versorgungsteil der Brücke eingeschalteten Widerstände G und H bilden can be adjusted. Formed in the supply part of the bridge resistors G and H form

Kompensationswiderstände für den Temperaturgang des E- Moduls, d. h. sie dienen der Kompensation der Compensation resistors for the temperature response of the Module, ie they serve to compensate the

Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Sensors. Temperature dependence of the sensitivity of the sensor.

Insbesondere können die Widerstände E, F, I, J und/oder K niederohmige Widerstände (etwa 20 bis 200 Ohm) sein, während die Widerstände A, B, C und/oder D hochohmige Messwiderstände sein können. Bei einer Viertelbrücke ist nur einer der Brückenwiderstände deformationsempfindlich; bei einer Halbbrücke sind zwei Brückenwiderstände In particular, the resistors E, F, I, J and / or K can be low-resistance resistors (approximately 20 to 200 ohms), while the resistors A, B, C and / or D can be high-impedance measuring resistors. In a quarter bridge, only one of the bridge resistors is sensitive to deformation; in a half bridge are two bridge resistors

deformationsempfindlich und bei einer Vollbrücke sind alle vier Brückenwiderstände deformationsempfindlich. sensitive to deformation and in a full bridge, all four bridge resistors are sensitive to deformation.

Die Figuren 5, 6, 7 und 8 zeigen jeweils schematisierte Draufsichten auf die Deckelfläche eines Sensorelements mit darauf aufgebrachten Widerständen. Sie zeigen lediglich die prinzipielle Anordnung und Orientierung der FIGS. 5, 6, 7 and 8 each show schematized plan views of the cover surface of a sensor element with resistors applied thereto. They merely show the basic arrangement and orientation of the

Brückenwiderstände innerhalb der einzelnen Brücken. Die Widerstände einer Gruppe sind jeweils mit A, B, C, D, A', B', C, D' oder A' ' , B'', C' bzw. D'' bezeichnet. Bridge Resistors within each bridge. The resistors of a group are denoted by A, B, C, D, A ', B', C, D 'or A ", B", C' and D ", respectively.

Selbstverständlich können alle diese Brücken entsprechend den obigen Ausführungen zu Fig. 3 und Fig. 4 gestaltet sein und folglich auch deren sämtliche Widerstände bzw. eine entsprechend gestaltete Auswerteeinheit sowie passende Anschlussmimik haben. Die Widerstände sind in Of course, all of these bridges according to the above statements to Fig. 3 and Fig. 4 can be designed and consequently also have all their resistors or a correspondingly designed evaluation unit and matching connection mimic. The resistors are in

Dünnfilmtechnik aufgebracht und mittels Glasisolation vom Trägermaterial (Metallträger) isoliert. Applied thin-film technology and isolated by means of glass insulation from the support material (metal support).

In Fig. 5 ist eine sogenannte x- und y-Richtungsanordnung der Brücken gezeigt, d. h. die einzelnen Widerstandspaare AC, A'C'; BD, B'D' der jeweiligen Brücke stehen senkrecht zueinander, wobei jeweils zwei Brückenpaare AC, A'C'; BD, B'D' von zwei Brücken zueinander parallel angeordnet sind. Auf diese Weise lassen sich Deformationen oder Komponenten davon entsprechend ihrer um 90° zueinander versetzten Richtung unmittelbar messen. In der Fig. 6 ist eine Anordnung getroffen, in der die Brückenwiderstände A, B, C, D der linken Brücke genauso angeordnet sind, wie die Widerstände A, B, C, D in der linken Brücke in Fig. 5. In der rechten Brücke der Fig. 6 sind die Widerstände Α', B', C', D' zwar zueinander im rechten Winkel, jedoch bezüglich der Widerstandspaare AC, BD der ersten Brücke im 45 Grad Winkel angeordnet. Auf diese Weise misst die eine Brücke in x- und y-Richtung, während die andere Brücke Deformationen in der dazu um jeweils um 45 Grad versetzten Richtung unmittelbar misst. In Fig. 5, a so-called x- and y-directional arrangement of the bridges is shown, that is, the individual resistance pairs AC, A'C '; BD, B'D 'of the respective bridge are perpendicular to each other, with two pairs of bridges AC, A'C'; BD, B'D 'of two bridges are arranged parallel to each other. In this way, deformations or components thereof can be measured directly according to their offset by 90 ° to each other direction. In Fig. 6, an arrangement is made in which the bridge resistors A, B, C, D of the left bridge are arranged in the same way as the resistors A, B, C, D in the left bridge in Fig. 5. In the right Bridge of Fig. 6, the resistors Α ', B', C ', D' to each other at right angles, but with respect to the pairs of resistors AC, BD of the first bridge arranged at 45 degrees. In this way, one bridge measures in the x- and y-direction, while the other bridge directly measures deformations in the direction offset by 45 degrees.

In der Fig. 7 sind wiederum gleichartige Brücken mit zueinander senkrechten Paaren AC, BD, A'C', B'D' von In FIG. 7, in turn, similar bridges with mutually perpendicular pairs AC, BD, A'C ', B'D' of

Widerständen ausgebildet, diese sind aber zur x-y-Richtung des Sensors alle um 45 Grad versetzt angeordnet, d. h. die Widerstände A und B sind parallel zu den Widerständen D' und C angeordnet und die Widerstände A', B' sind parallel zu den Widerständen C und D angeordnet. Dies ermöglicht eine redundante Messung in den Richtungen 45 Grad relativ zu x und y. Resistors formed, but these are all offset by 45 degrees to the x-y direction of the sensor, d. H. the resistors A and B are arranged in parallel to the resistors D 'and C, and the resistors A', B 'are arranged in parallel to the resistors C and D. This allows redundant measurement in the 45 degree directions relative to x and y.

Schließlich bietet die Fig. 8 eine weitere Modifikation mit einer dritten Wheatstone' sehen Brücke, die, ausgehend von der Gestalt in Fig. 7, zwischen die mit 45 Grad zu den Hauptachsen x, y angeordneten Brücken senkrecht in x-y- Richtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine Finally, FIG. 8 shows a further modification with a third Wheatstone bridge which, starting from the shape in FIG. 7, is arranged perpendicularly in the x-y direction between the bridges arranged at 45 degrees to the main axes x, y. That way is one

redundante Messung von 45 Grad bezüglich der x-y-Richtung und eine zusätzliche Messung in x- und y-Richtung möglich. Redundant measurement of 45 degrees with respect to the x-y direction and an additional measurement in the x and y directions possible.

Claims

PATENTA S PRÜCHE PATENTA'S TEST

1. Messvorrichtung zur Messung einer physikalischen Größe, mit 1. Measuring device for measuring a physical quantity, with

mindestens einer Wheatstone' sehen Brücke in der mindestens ein Brückenwiderstand mindesten einen  at least one Wheatstone 'bridge in the at least one bridge resistor at least one

deformationsempfindlichen ohmschen Messwiderstand (A, B, C, D) enthält, der entsprechend einer Deformation ein deformation-sensitive ohmic measuring resistor (A, B, C, D) contains, according to a deformation

elektrisch auswertbares Signal erzeugt, generated electrically evaluable signal,

einer Auswerteeinheit, die mit der Wheatstone' sehen Brücke verbunden ist,  an evaluation unit connected to the Wheatstone 'bridge,

einen Verstimmwiderstand (K) , der zu mindestens einem Widerstand (A, B, C, D, E, F) in der Wheatstone' sehen  a detuning resistance (K), which can be seen in at least one resistance (A, B, C, D, E, F) in the Wheatstone

Brücke mittel- oder unmittelbar parallel wahlweise Bridge middle or directly parallel alternatively

zuschaltbar ist, und is switchable, and

einem deformationsunempfindlichen Widerstand (E, F) , der mit dem deformationsempfindlichen Messwiderstand (A, B, C, D) in dem Brückenwiderstand in Reihe geschaltet ist.  a deformation-insensitive resistor (E, F), which is connected in series with the deformation-sensitive measuring resistor (A, B, C, D) in the bridge resistor.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Brückenwiderstände einer 2. Measuring device according to claim 1, characterized in that at least two bridge resistors of a

Wheatstone' sehen Brücke jeweils von zwei in Reihe Wheatstone 'bridge each of two in series

geschalteten Widerständen (D, E, C, F) gebildet sind, zwischen denen ein elektrischer Anschluss (12, 14) Switched resistors (D, E, C, F) are formed between which an electrical connection (12, 14)

vorgesehen ist, an den der Verstimmwiderstand (K) anlegbar ist, um den Nullpunkt der Brückenspannung zu verstimmen. is provided, to which the Verstimmwiderstand (K) can be applied to detune the zero point of the bridge voltage.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstimmwiderstand (K) über einen Schalter (a) mit der Wheatstone' sehen Brücke verbunden ist. 3. Measuring device according to claim 1, characterized in that the detuning resistor (K) via a switch (a) with the Wheatstone 'bridge is connected.

4. Messvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung mehrere 4. Measuring device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the measuring device more

deformationsempfindliche ohmsche Messwiderstände (A, B, C, D, Α', Β', C, D') hat, die zur Bildung von mindestens zwei Wheatstone' sehen Vollbrücken miteinander verschaltet sind, wobei mindestens ein Widerstand einer der Brücken mit dem Verstimmwiderstand (K) wahlweise beschaltbar ist. deformation-sensitive ohmic measuring resistors (A, B, C, D, Α ', Β', C, D ') which are interconnected to form at least two Wheatstone' full bridges, wherein at least one resistor of one of the bridges with the detuning resistor (K) is selectively connectable.

5. Messvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung aus einer 5. Measuring device according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the measuring device consists of a

deformierbaren Membran mit in Metalldünnschichttechnik darauf ausgebildeten Widerständen gebildet ist. deformable membrane is formed thereon in metal thin-film technology formed resistors.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wheatston' sehe Brücke (A, B, C, D) mit vier oder fünf elektrischen Anschlussflächen (11, 13, 15, 16 oder 11, 12, 14, 15, 16) auf der Membran zum Anschluss einer 6. Measuring device according to claim 5, characterized in that each Wheatston 'see bridge (A, B, C, D) with four or five electrical pads (11, 13, 15, 16 or 11, 12, 14, 15, 16) on the membrane to connect a

Auswerteeinheit versehen ist. Evaluation unit is provided.

7. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der 7. Measuring device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the signal of

verstimmten Brücke der Auswerteeinheit zuführbar ist, die ausgelegt ist, sich anhand dieses Signals selbst zu tuned bridge of the evaluation unit can be fed, which is designed to use this signal itself

überprüfen . to verify .

8. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der 8. Measuring device according to one or more of

vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenwiderstände jeder Brücke (A, C, B, D; A', C', B', D') jeweils paarweise im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. preceding claims 1 to 7, characterized in that the bridge resistors of each bridge (A, C, B, D, A ', C', B ', D') are arranged in pairs at right angles to each other.

9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brücken (A, B, C, D, Α', B', C', D') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind. 9. Measuring device according to claim 8, characterized in that two bridges (A, B, C, D, Α ', B', C ', D') are provided, which are arranged offset relative to each other by 90 °.

10. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch 10. Measuring device according to claim 8, characterized

gekennzeichnet, dass zwei Brücken (A, B, C, D, Α', B', C', D') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind. characterized in that two bridges (A, B, C, D, Α ', B', C ', D ') are provided, which are arranged offset relative to each other by 45 °.

11. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch 11. Measuring device according to claim 8, characterized

gekennzeichnet, dass zwei Brücken (A, B, C, D, A' ', B' ', C'', D'') vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnet sind, und dass eine weitere Brücke (Α' , B', C', D') vorgesehen ist, die characterized in that two bridges (A, B, C, D, A '', B '', C '', D '') are provided, which are arranged offset relative to one another by 90 °, and that a further bridge ( Α ', B', C ', D') is provided, the

gegenüber den beiden zueinander senkrecht angeordneten Brücken um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet ist. opposite to the two mutually perpendicular bridges arranged offset by 45 °.

12. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch 12. Measuring device according to claim 8, characterized

gekennzeichnet, dass zwei Brückenpaare vorgesehen sind, die relativ zueinander um 90° versetzt ausgerichtet angeordnete Brücken haben, wobei die beiden Brückenpaare relativ zueinander um 45° versetzt ausgerichtet angeordnet sind. characterized in that two pairs of bridges are provided, which have relative to each other offset by 90 ° aligned arranged bridges, wherein the two pairs of bridges are arranged offset relative to each other by 45 °.

13. Messvorrichtung nach einem oder mehreren der 13. Measuring device according to one or more of

vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Größe Kraft, Druck, Temperatur, preceding claims 1 to 12, characterized in that the size to be measured force, pressure, temperature,

Drehmoment oder Kombinationen davon umfasst. Includes torque or combinations thereof.