DE1648745C3

DE1648745C3 - Pressure-sensitive device with a housing and a flexible circular disc on which strain gauges connected in a bridge circuit are attached

Info

Publication number: DE1648745C3
Application number: DE19671648745
Authority: DE
Inventors: Takeichi; Kato Yoshimi; Muramatsu Yasunori;Kariya Aichi Kondo (Japan)
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1966-06-07
Filing date: 1967-06-07
Publication date: 1976-02-19

Description

zwischen den beiden Spannungszonen der Scheibe zusammenfällt. Da nur eine einzige Halbleiterschicht vorliegt, ergeben sich für die beiden Bereiche dieser tinzigen Halbleiterschicht die gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes. Dadurch erhält man in dieser einzigen Schicht einen zuverlässigen Temperaturausgleich. Durch die radiale Anordnung sowohl der Längsrichtung des Streifens als auch der Pachtung ■Jer maximalen Empfindlichkeit der Halbleiterschicht wird im Zusammenwirken mit der besonderen Lage der Mittelelektrode gewährleistet, daß in den beiden in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstreifen des einzigen Halbleiterelementes zwei verschiedene Spannungszustände gemessen werden. Durch die Verwendung nur eines einzigen Halbleiterelementes in der angegebenen Anordnung kann der Durchmesser der Kreisscheibe und damit die Abmessungen der gesamten Einrichtung merklich kleiner als Iblicherweise gehalten werden, ohne daß dadurch die Meßempfindlichkeit beeinträchtigt wird. Diesbezüg-Hch ist vorteilhafterweise die Länge der Einkristall-Halbleiterschicht annähernd gleich oder größer als die Länge des Radius der Scheibe. Dadurch erhält man ein besonders günstiges Verhältnis von Empfindlichkeit und Abmessungen der Einrichtung.coincides between the two tension zones of the disc. Because only a single semiconductor layer is present, the same temperature coefficients result for the two areas of this tiny semiconductor layer of resistance. This provides a reliable temperature compensation in this single layer. Due to the radial arrangement of both the longitudinal direction of the strip and the lease ■ Jer maximum sensitivity of the semiconductor layer is ensured in cooperation with the special position of the center electrode that in the two in the radial direction successive strain gauges of the single semiconductor element two different voltage states can be measured. By using only a single semiconductor element In the specified arrangement, the diameter of the circular disk and thus the dimensions of the entire facility can be kept noticeably smaller than I normally would, without the Measurement sensitivity is impaired. In relation to this, Hch is advantageously the length of the single crystal semiconductor layer approximately equal to or greater than the length of the radius of the disc. This gets a particularly favorable ratio of sensitivity and dimensions of the device.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeiipielen näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated more schematically below on the basis of hand Drawings on several Ausführungsbeiipielen explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine derartige auf Druck ansprechende Einrichtung,Fig. 1 shows a longitudinal section through such a Print-appealing facility,

Fig.2 und 3 jeweils Querschnitte entlang der Schnittlinien Π-ΙΙ und TII-III der Einrichtung nach2 and 3 each cross-sections along the section lines Π-ΙΙ and TII-III of the device

Fig. 1,
Fig.4 einen Querschnitt durch eine abgewandelteFig. 1,
4 shows a cross section through a modified one

Ausführungsform mit Bück auf die Rückseite der membranartigen Kreisscheibe.Embodiment with Bück on the back of the membrane-like circular disk.

Fig.5 Draufsicht und Querschnitt durch eine membranförmige Kreisscheibe als Ausführungsbeispiel und5 top view and cross section through a membrane-shaped circular disk as an exemplary embodiment and

Fig.6 eine schematische Darstellung des Schalt-Fig. 6 is a schematic representation of the switching

kreises.circle.

Die in Fig. 1 bis 3 dargestellte, auf Druck ansprechende Einrichtung weist ein zylindrisches Gehäuse! mit einer zylindrischen Ausnehmung 2b an einem Ende auf. In diese Ausnehmung ist ein Tragteil 3 eingesetzt, der einen zur Achse des Gehäuses konzentrischen, ringförmigen Kragen 3 a aufweist. Dieser dient zur Befestigung einer membranarligen, flexiblen Kreisscheibe 4, die mit ihrem Umfangskragen4fl über den Kragen 3« greift und mittels eines äußeren Befestigungsringes 5 gehalten ist.The illustrated in Fig. 1 to 3, responsive to pressure device has a cylindrical housing! with a cylindrical recess 2 b at one end. In this recess a support part 3 is inserted, which has an annular collar 3 a concentric to the axis of the housing. This serves to fasten a membrane-like, flexible circular disk 4, which with its circumferential collar 4f1 engages over the collar 3 ″ and is held by means of an outer fastening ring 5.

Da die flexible Kreisscheibe mit ihrem Rand am Gehäuse 2 in der beschriebenen Weise festgelegt ist, weist sie bei ihrer Ausbiegung unter Druck eine zentrale Dehnungs- und eine dazu konzentrische Kompressionszone auf, wobei die Zonen im Bereich der strichpunktierten KreislinieX (vgl. die Fig. 2, 4 und 5) aneinandergrenzen.Since the edge of the flexible circular disk is fixed to the housing 2 in the manner described, when it is bent under pressure it has a central expansion zone and a compression zone concentric to it, the zones in the area of the dash-dotted circular line X (cf. 2, 4 and 5) adjoin each other.

Auf der Innenseite der membranartigen Kreisscheibe 4 ist eine einzige langgestreckte, rechteckför- ⁶" mige Schicht G eines Einkrislall-Halbleilers in radialer Orientierung angeordnet. Diese rechteckförmigc Schicht ist durch quer über die Schicht ragende Elektroden in zwei in radialer Richtung aufeinanderfolgende Dehnungsstreifen G1 und Gl unterteilt. Die drei Elektroden bestehen aus zwei an den Enden der streifenförmigen Schicht angebrachten Endelektroden b und c und einer Mittelelektrode a, die tangential zu der Übergangslinie oder Übergangszone Ä' angeordnet ist, an der die beiden Spannungszonen der Kreisscheibe 4 aneinander angrenzen.On the inside of the membrane-like circular disc 4 is a single elongated, rechteckför- ⁶ '-shaped layer G of a Einkrislall-Halbleilers in radial orientation arranged. This rechteckförmigc layer is divided by transversely across the layer projecting electrodes in two consecutive in the radial direction stretch marks G1 and Gl The three electrodes consist of two end electrodes b and c attached to the ends of the strip-shaped layer and a center electrode a, which is arranged tangentially to the transition line or transition zone A 'at which the two tension zones of the circular disk 4 adjoin one another.

Die Längsrichtung der rechteckförmigen Schicht fällt nicht nur mit einem Radius der Kreisscheibe, sondern auch mit der Kristallisationsrichtung größter Empfindlichkeit der Schicht zusammen.The longitudinal direction of the rectangular layer not only coincides with a radius of the circular disk, but also with the direction of crystallization of the greatest sensitivity of the layer.

Die Schicht des Einkristall-Halbleiters kann in üblicher Weise unter Zwischenschaltung eines isolierenden Filmes aus Glaswolle oder Bindematerial aufgebracht und mit Hilfe eines weiteren Filmes abgedeckt sein. Die Einkristall-Halbleiterschicht kann aber auch auf der Innenfläche der Kreisscheibe aufgedampft und in einem Ätzvorgang behandelt werden. Die Dotierung der Schicht kann vor oder nach dem Aufdampfen erfolgen.The layer of the single crystal semiconductor can in the usual way with the interposition of an insulating Film made of glass wool or binding material is applied and covered with another film being. The single-crystal semiconductor layer can, however, also be vapor-deposited on the inner surface of the circular disk and treated in an etching process. The doping of the layer can be before or after done by vapor deposition.

Die zu den drei Elektroden gehörenden Leitungen werden durch schmale Bohrungen in das Gehäuseinnere geführt und dort über Leitungen D, E und F mit den Armen einer Brückenschaltung verbunden. Dabei werden die in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstreifen Gl und G 2 an die Brückenschaltung so angeschlossen, daß sie in dieser benachbarte Arme bilden. Die Leitungen D, E, F werden an einem Bauteil 6 unterstützt, der mit Hilfe einer Schraubklappe 7 an dem Gehäuse 7. gehalten ist. Die ganze auf Druck ansprechende Einrichtung 1 kann z. B. mittels Gewinde 2 α in eine Gewindebohrung einer Kesselwand 8 od. dgl. eingesetzt werden.The lines belonging to the three electrodes are led through narrow bores into the interior of the housing and connected there via lines D, E and F to the arms of a bridge circuit. The strain gauges Gl and G 2, which follow one another in the radial direction, are connected to the bridge circuit in such a way that they form adjacent arms in it. The lines D, E, F are supported on a component 6 which is held on the housing 7 with the aid of a screw flap 7. The whole pressure-sensitive device 1 can, for. B. by means of thread 2 α in a threaded hole in a boiler wall 8 or the like. Be used.

Wie aus F i g. 6 hervorgeht, sind die Drähte D, E, F mit der zugehörigen Schaltung durch eine Klemmleiste. 9 verbunden. Die Schaltung weist eine Gleichstromquelle 10 mit parallelgeschaltetem einstellbarem Widerstand VR auf. Die Drähte E und F, die mit den Endelektroden b, c des Halbleiterelements verbunden sind, sind an diese Stromquelle angeschlossen. Der Leiter D, der mit der Mittelelektrode a des Halbleiterelements verbunden ist, ist zusammen mit dem verschiebbaren Abgriff 12 des Widerstandes an ein Spannungsmeßinstrument eines Überwachungsgerätes 11 angeschlossen. In diesem können die den Druck in dem Kessel entsprechend gemessenen Spannungen aufgezeichnet werden. Zur Messung können aber auch andere Instrumente dienen.As shown in FIG. 6, the wires D, E, F with the associated circuit are through a terminal block. 9 connected. The circuit has a direct current source 10 with an adjustable resistor VR connected in parallel. The wires E and F connected to the end electrodes b, c of the semiconductor element are connected to this power source. The conductor D, which is connected to the center electrode a of the semiconductor element, is connected to a voltage measuring instrument of a monitoring device 11 together with the displaceable tap 12 of the resistor. The voltages measured in accordance with the pressure in the tank can be recorded in this. However, other instruments can also be used for the measurement.

Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist die rechteckförmige Schicht des Einkristall-Halbleiters langer als der Radius der membranförmigen Kreisscheibe. In der Figur ist die Übergangszone zwischen der Dehnungszone und der Kompressionszone wiederum durch die strichpunktierte Kreislinie X wiedergegeben. Der Radius dieser Kreislinie beträgt 0,fi3 R, wobei R der Radius der Kreisscheibe ist. Die aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstreifen und die zugehörigen Elektroden sind mit den gleichen Bezugsziffern unter Hinzufügung eines Beispriches wie in F i g. 1 bezeichnet. Bei der in F i g. 4 gezeigten Einrichtung weist der Dehnungsmeßstreifen G 1' eine größere Länge als der Radius der zentralen Dehnungszone auf. Dieser Dehnungsmeßstreifen kann über seine volle Länge ausgenutzt werden, wobei dennoch eine vollständige Temperaturkompensation erzielt wird, und zwar auf Grund der Tatsache, daß die beiden aufeinanderfolgenden Dehnungsmeßstreifen den gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des Einkristall-Halbleiters aufweisen. Durch Verwendung einer Mittelelektrode α' von größerer einstellbarer radialer Breite kann man die effektiven Längen der beiden aufeinanderfolgenden Dehnungs-In the modified embodiment according to FIG. 4, the rectangular layer of the single crystal semiconductor is longer than the radius of the membrane-shaped circular disk. In the figure, the transition zone between the expansion zone and the compression zone is again shown by the dash-dotted circular line X. The radius of this circular line is 0. fi3 R, where R is the radius of the circular disc. The successive strain gauges and the associated electrodes are given the same reference numerals as in FIG. 1 referred to. In the case of the in FIG. 4, the strain gauge G 1 'has a greater length than the radius of the central expansion zone. This strain gauge can be used over its full length, with full temperature compensation still being achieved due to the fact that the two successive strain gauges have the same temperature coefficient of resistance of the single crystal semiconductor. By using a central electrode α 'with a larger adjustable radial width, the effective lengths of the two successive expansion

meßstreifen aneinander angleichen. Die Arbeitsweise der Einrichtung nach F i g. 4 ist im wesentlichen die gleiche wie die nach F i g. 1.align measuring strips with one another. The operation of the device according to FIG. 4 is essentially the same as that of FIG. 1.

Bei allen Ausführungsformen ist die Kristallisationsrichtung größter Empfindlichkeit des Einkristall-Halbleiters stets in radialer Richtung der membranartigen Kreisscheibe orientiert. Daher werden nur radial wirksame Spannungen gemessen.In all embodiments, the direction of crystallization is The greatest sensitivity of the single crystal semiconductor is always in the radial direction of the membrane-like Circular disk oriented. Therefore only radial stresses are measured.

Die Lage der Übergangszone * ergibt sich aus Fig.5, in der die membranartige Kreisscheibe in Draufsicht und im Schnitt gezeigt ist und die Spannungsverteilung in Form eines Diagramms wiedergegeben ist. In der Figur ist mit G die Schicht des Einkristall-Halbleiters auf der Unterseite der Kreisscheibe wiedergegeben. Durch die mit ρ bezeichne- ts ten Pfeile ist die Druckbelastung der Kreisscheibe im Betrieb wiedergegeben. Strichpunktiert ist in der Figur die Ausbiegung der Kreisscheibe angedeutet. Der Durchmesser der Kreisscheibe beträgt 2 R. In dem Diagramm ist die Änderung der radialen Spannung ao α r über dem Radius aufgetragen. Im äußeren Ringbereich ist die Spannung negativ, d. h., es handelt sich hierbei um die Kompressionszone, während im zentralen Bereich die Spannung positiv ist, was der Dehnungszone entspricht. Die Spannung wird in der Übergangszone X, wie aus dem Diagramm hervorgeht, gleich Null.The position of the transition zone * results from FIG. 5, in which the membrane-like circular disk is shown in plan view and in section and the stress distribution is shown in the form of a diagram. In the figure, G shows the layer of the single crystal semiconductor on the underside of the circular disk. The arrows marked with ρ show the pressure load on the circular disk during operation. The curve of the circular disk is indicated by dash-dotted lines in the figure. The diameter of the circular disk is 2 R. In the diagram, the change in the radial tension ao α r is plotted against the radius. In the outer ring area, the tension is negative, ie it is the compression zone, while in the central area the tension is positive, which corresponds to the expansion zone. As can be seen from the diagram, the stress becomes equal to zero in the transition zone X.

Der Verlauf der in dem Diagramm wiedergegebenen Kurve errechnet sich aus folgender Gleichung:The course of the curve shown in the diagram is calculated from the following equation:

or= + -^-[(1 +v)R'~
8Λ² or = + - ^ - [(1 + v) R '~
8Λ ²

In dieser Formel bedeutet:In this formula:

h die Dicke der Kreisscheibe,
ρ die Druckbelastung der Scheibe, h is the thickness of the circular disk,
ρ is the pressure load on the disc,

ν das poissonsche Verhältnis des Scheibenmaterials, ν is the Poisson's ratio of the disk material,

r der Radius irgendeines vorgegebenen Punktes auf der Kreisscheibe. r is the radius of any given point on the disk.

Aus dieser Formel errechnet sich der in der Zeichnung angegebene Wert des Radius der Übergangszone Xm r_x = 0,63 R, wobei R der Radius der Kreisscheibe ist.The value given in the drawing for the radius of the transition zone Xm r _x = 0.63 R, where R is the radius of the circular disk, is calculated from this formula.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

In another known device of this type, the four arms of a bridge structure are attached directly to the v 'circular disk-shaped membrane.

1. Pressure responsive device with it is assumed that with Beaufschlaeinem housing and the housing on a 5 movement of the Kreissche.be by compressive forces the radial end closing membrane-like, flexible directed tensile stress extends over a radial width circular disk, which with its edge on Housing of 57.7 · /. of the total council extends, at which it is determined in such a way that when it bends under position, a transition from tensile stress to pressure takes place, a central elongation and a compressive stress. Span-elongation or compression stresses by means of stresses the radial stresses. In the ring-shaped compression zone attached to the disk and in a bridge outer compression zone, however, the strain gauges switched on take the potential of the potential stresses practically measurable down to the value, characterized by zero, while the radial compression span increases in a single elongated, rectangular-shaped area. In this known device, layer (G) of a single crystal semiconductor in the radial direction is therefore arranged in the central strain zone on the disk (4), the strain gauges are oriented tangentially or in circular longitudinal direction with the direction of crystallization in the gene-shaped direction, while they are in the greatest sensitivity coincides and the outer ring zone are oriented radially (see. US-PS by two end and one center electrode (a, b, c), 20 32 35 826). The arrangement is arranged in the transverse direction, divided into two measuring strips (Gl and Gl) which are covered with semicircular measuring elements in the inner stretch zone and two semicircular täradialer direction Ring zone form two identical replica arms of the bridge structure, partial ring areas are provided, which are provided with radially onen- and that the central corner electrode are provided with about the over- 25 tied metal elements. The two entry zones (X) between the two tension bands and the outer areas are each symmetrical zones where the disc (4) coincides. designed so that they also act in the same way

2. Device according to claim 1, characterized in ge deformations of the membrane-like circular disk, that the length of the single crystal half-speak. The four areas form the four arms Conductor layer (G) approximately equal to or greater than 30 of a Wheatstone bridge structure.

is the length of the radius of the disc (4). To measure shear or shear stresses

can, it is known to use the piezoelectric resistance of a semiconductor material to generate a

Take advantage of tension that reduces the shear or shear

35 stresses is proportional. This is a compensation for changes in the ambient temperature

The invention relates to a temperature responsive to pressure not necessary (see. US-PS 32 13 681). at A device with a housing and a feature of this known device is the one used membrane-type semiconductor element in plan view of approximately cruciform, flexible circular disc, the contour shape with its edge on the 40 ger. There are electrodes on the four ends Housing is set such that it is attached when bending, with two opposing Elekunter Pressure a central expansion and a trode for connection to a power source are used, having concentric compression zone, while the other opposing elec-expansion or compression stresses by means of electrodes for connecting a voltage measuring device attached to the pane and used in a bridge structure 45. This semiconductor element is close to that switched on strain gauges can be measured. firmly clamped edge of a membrane-shaped

Pressure-sensitive devices of this type arranged circular disc, with the main direction are known. In one known device, the single semiconductor elements are at an angle on the flexible circular disc several strips of 45 ° opposite a radius of the circular disc mige semiconductor elements on the outlines of a 50 is oriented.

elongated rectangle in mutual spacing- It is the object of the present invention to provide a

the arranged, whereby they form two rows to further develop the pressure-responsive device of the initially closer parallel and at equal intervals on both sides of a designated type so that they run with beDiameter of the circular disk. These half-length elements 55, which serve as a particularly simple structure and ensure strain gauges of very small dimensions, provide a high level of measurement sensitivity, of which a group with four possibilities in connection with a reliable Tem-semiconductor elements in the outer ring-shaped temperature compensation allows.
Compression zone and a second group with two This object is achieved according to the invention in that a single elongated, rectangular disk is arranged in the central expansion zone of the circle. A third group, which consists of 60 layers of a single crystal semiconductor in the radial direction of a single semiconductor element, is arranged at a point on the disk whose longitudinal point is such that this semiconductor direction with the direction of crystallization, the largest receiving element, has practically no expansion or compression. sensitivity coincides and which is subject to two endings. This semiconductor element and a center electrode, which are arranged in the transverse direction for temperature compensation within a bridge, are connected in two in a radial direction, into which the various groups of the following strain gauges are subdivided, the strain gauges or semiconductor elements forming adjacent arms of the bridge circuit , and are switched (see. US-PS 32 47 719). that the center electrode is roughly aligned with the overriding zone