DE19754613A1 - Drucksensor vom Dehnungsmesser-Typ - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor oder Meßwandler zur Erfassung des Drucks einer Flüssigkeit und zur Ausgabe eines elektrischen Signals, das den Flüssigkeits­ druck auf zeigt. Genauer, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor vom Dehnungsmeßeinrichtungs- bzw. Dehnungsmesser-Typ.

Drucksensoren vom Dehnungsmesser-Typ wurden zur Messung des Drucks zahlreicher Flüssigkeiten, wie beispielsweise einer Bremsflüssigkeit von kraftfahrtechnischen hydraulischen Brems­ systemen, verwendet.

Ein Drucksensor vom Dehnungsmesser-Typ enthält eine auf Druck ansprechende Membran, auf der Dehnungsmesser mit einer Gesamt­ anzahl von vier befestigt sind, um eine Verformung bzw. Defor­ mation der Membran aufgrund des angelegten Flüssigkeitsdrucks zu erfassen. Die vier Dehnungsmesser sind angeordnet und ver­ bunden, ein Wheatstonesches Netzwerk mit zwei Eingangsan­ schlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen zu bilden. Theoretisch muß die Wheatstonesche Brücke in der Abwesenheit eines Flüs­ sigkeitsdrucks ausgeglichen sein, so daß die über die Aus­ gangsanschlüsse der Wheatstoneschen Brücke entwickelte Aus­ gangsspannung Null ist. Bei Anlegen eines Flüssigkeitsdrucks erhöht sich der Ausgangsspannungsunterschied zwischen den Aus­ gangsanschlüssen als eine Funktion des Flüssigkeitsdrucks, so daß es möglich ist, den Flüssigkeitsdruck auf der Grundlage der Ausgangsspannung zu bestimmen.

Typischerweise werden die Dehnungsmesser durch dem herkömmli­ chen Dünnschichterzeugungsvorgang, wie Drucken, Dampfbeschich­ tung oder Kathodenzerstäubung eines elektrisch widerstandsfä­ higen Materials hergestellt. Gemäß den herkömmlichen Dünn­ schichttechniken ist es allgemein unmöglich, sicherzustellen, daß alle vier Dehnungsmesser eines bestimmten Drucksensors wie hergestellt genau denselben elektrischen Widerstand besitzen. In der Tat kann sich der Widerstand der Dehnungsmeßstreifen wie hergestellt leicht von Meßeinrichtung bzw. Messer zu Meßeinrichtung bzw. Messer verändern.

Daher ist es wünschenswert, daß nach einer Herstellung der Dehnungsmesser die Wheatstonesche Brücke jedes Drucksensors derart angepaßt ist, daß in der Abwesenheit eines Flüssig­ keitsdrucks die Brücke ausgeglichen ist, d. h. die Ausgangs­ spannung der Wheatstoneschen Brücke gleich Null ist. Eine der­ artige Anpassung wird im Stand der Technik als "Nullanpassung" oder "Nullpunktanpassung" bezeichnet.

Eine der Anordnungen, die die Nullanpassung erlaubt, enthält einen Streifen eines Widerstands mit niedrigem Wert, der zwi­ schen benachbarten Dehnungsmesser verbunden ist, wie bei­ spielsweise in der japanischen Patent-Kokai-Veröffentlichung Nr. 1-235826(1989) beschrieben. Eine Reihe von Kontaktierungs- bzw. Bondeplättchen als einem Metall wie beispielsweise Gold werden auf dem Widerstandsstreifen gebildet und sind voneinan­ der gleich beabstandet. Die Nullanpassung der Wheatstoneschen Brücke wird durch Drahtkontaktieren bzw. -bonden des Brücken­ eingangsanschlusses mit einem ausgewählten der Bondeplättchen erreicht, derart, daß der elektrische Widerstand aller vier Zweige der Wheatstoneschen Brücke im wesentlichen derselbe wird.

Das mit den Drucksensoren mit der herkömmlichen Nullanpas­ sungsanordnung verbundene Problem besteht darin, daß in gewis­ sen Situationen das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Brücke eine wesentliche Ausgleichs- bzw. Offsetdrift bzw. -abweichung aufweist.

Beispielsweise wird der Drucksensor bei der Verwendung einer bemerkenswerten Temperaturveränderung unterworfen. Insbesonde­ re, wenn er in einem kraftfahrtechnischen hydraulischen Brems­ system verwendet wird, macht der Drucksensor eine ausgedehnte bzw. umfassende Temperaturveränderung im Bereich von -40°C bis + 120°C durch. Wenn der Drucksensor einmal einem breiten Be­ reich von Temperaturveränderung unterworfen ist, schwankt das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Brücke aufgrund eines hohen Temperaturkoeffizienten von Gold, das die Bondeplättchen bil­ det, wie nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung genau­ er beschrieben.

Wenn weiterhin die Drucksensoren für einen ausgedehnten Zeit­ raum bei einer entsprechend erhöhten Temperatur verwendet wer­ den, neigen in dem Widerstandstreifen enthaltene Chromatome dazu, in die die Bondeplättchen bildende Goldschicht zu dif­ fundieren. Dies führt zu einer Erhöhung des elektrischen Wi­ derstands der Bondeplättchen und verursacht die Offsetabwei­ chung des Brückenausgangssignals.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor vom Dehnungsmesser-Typ auszubilden, der die Offset­ abweichung minimieren kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Druck­ sensor vom Dehnungsmesser-Typ auszubilden, der eine verbesser­ te Temperaturkennlinie besitzt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Drucksensor vom Dehnungsmesser-Typ auszubilden, der einen ho­ hen Grad an Zuverlässigkeit besitzt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Druck­ sensor vom Dehnungsmesser-Typ auszubilden, der einen Flüssig­ keitsdruck mit einem hohen Grad an Genauigkeit für einen aus­ gedehnten Zeitraum erfassen kann.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch einen Drucksensor erreicht, mit einer auf Druck ansprechenden Membran und vier auf dieser Membran befestigten Dehnungsmessern, wobei die Deh­ nungsmesser verbunden sind, um eine Wheatstonesche Brücken­ schaltung mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsan­ schlüssen zu bilden, wobei der Drucksensor eine Nullpunktan­ passungseinrichtung mit einem Streifen von Widerstand mit niedrigem Wert enthält, der zwischen einem Paar von benachbar­ ten Dehnungsmessern verbunden ist, und mit einer Reihe von entlang der Länge des Streifens angeordneten und voneinander gleich beabstandeten Bondeplättchen, wobei jedes der Bonde­ plättchen mit dem Streifen elektrisch verbunden ist, wobei ei­ nes der Bondeplättchen ausgewählt ist, um als ein mit dem Paar von Dehnungsmessern verbundener Anschluß derart zu dienen, daß eine über die Ausgangsanschlüsse unter der atmosphärischen Druckbedingung entwickelte Ausgangsspannung gleich Null ist.

Das Kennzeichen der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß jedes der Bondeplättchen seitlich auf dem Widerstandsstreifen mit niedrigem Wert angeordnet ist, so daß der elektrische Wi­ derstand jedes Zweigs der Brückenschaltung unabhängig vom elektrischen Widerstand der Bondeplättchen verschieden von dem als dem ausgewählten, als der Anschluß dienenden ist.

Mit dieser Anordnung ist das Ausgangssignal der Brückenschal­ tung im wesentlichen frei von einer Veränderung im Widerstand der Bondeplättchen, der sich aus einer Temperaturveränderung oder Diffusion von Chrom ergibt.

Diese Merkmale der Erfindung wie auch andere Merkmale und Vor­ teile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Querschnittansicht des erfindungsge­ mäßen Drucksensors,

Fig. 2 in einer weiter vergrößerten Größe eine schematische Querschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten auf Druck anspre­ chenden Elements,

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht der Brückenschaltung, die auf der in Fig. 2 gezeigten Membran gebildet ist,

Fig. 4 eine vergrößerte Draufsicht, die ein Muster des in Fig. 3 gezeigten Dehnungsmessers zeigt,

Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsmuster zeigt,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 5 gezeigten Teils,

Fig. 7 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 3 gezeigten Brücken­ schaltung,

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, die jedoch die herkömmli­ che Nullanpassungsanordnung zeigt,

Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil der in Fig. 8 gezeigten Muster zeigt,

Fig. 10 ein Ersatzschaltbild, das den Widerstand des durch ein in Fig. 9 gezeigtes Bondeplättchen bedeckten Bereichs zeigt, und

Fig. 11 ein Ersatzschaltbild des in Fig. 9 gezeigten Teils der Brückenschaltung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Drucksensor 10 gezeigt, wie er auf einem Gehäuse 12 eines hydraulischen Systems mon­ tiert ist, um den Druck einer hydraulischen Flüssigkeit zu er­ fassen, die in eine mit einem Gewinde versehene Montagebohrung 14 in Verbindung mit der hydraulischen Führung des System ein­ gelassen wird.

Der Drucksensor 10 enthält einen metallischen Körperabschnitt 16 und einen elektrischen Verbindungsabschnitt 18 aus geform­ tem Kunststoff und ist mit dem Körper 16 fest verbunden. Der Körper 16 besitzt einen sechseckigen Teil 20, der angepaßt ist, um durch einen Dorn und einen mit einem Gewinde versehe­ nen Ansatzteil 22 angekuppelt zu sein, der in den mit dem Ge­ winde versehenen Teil der Montagebohrung 14 geschraubt ist.

Der Körper 16 besitzt eine sich axial erstreckende Druckein­ laßdurchgangsöffnung 24, die an ihrem unteren Ende in die Mon­ tagebohrung 14 und an ihrem oberen Ende zu einer zentralen Montageaussparung 26 offen ist, die am Fuß eines aufwärts ge­ richteten Hohlraum 28 des oberen Teils des Körpers 16 gebildet ist.

Ein Druckfühlelement 30 ist flüssigkeitsdicht in die Monta­ geaussparung 26 eingepaßt. Das Druckfühlelement 30 kann aus korrosionsbeständigem Stahl gemacht sein und besitzt eine dün­ ne flexible auf Druck ansprechende Membran 32, die an ihrem Rand durch eine dicke, feste zylindrische Seitenwand 34 unter­ stützt ist. Das untere Ende des Druckfühlelements 30 kann über seinen gesamten Umfang durch Elektronenstrahlbestrahlung an den Körper 16 geschweißt sein.

Die Membran 32 ist auf ihrer oberen Oberfläche mit vier später beschriebenen Dehnungsmeßeinrichtungen bzw. Dehnungsmessern versehen, die in eine Wheatstonesche Brückenschaltung verbun­ den sind. Wenn die Membran 32 dem Flüssigkeitsdruck in der Durchgangsöffnung 24 unterworfen wird, unterliegt die Membran 32 einer elastischen Verformung bzw. Deformation, die darauf­ hin eine Deformation der Dehnungsmesser verursacht, wodurch der elektrische Widerstand der Dehnungsmesser verändert wird. Die Wheatstonesche Brücke gibt ein unausgeglichenes Ausgangs­ signal aus, das die sich aus der Deformation ergebende Verän­ derung im Widerstand der Dehnungsmesser wiedergibt.

Rund um den oberen Teil des Druckfühlelements 30 ist eine Pla­ tine bzw. Leiterplatte 36 derart angeordnet, daß sie auf einer Schulter 38 des Hohlraums 28 ruht. Die Anschlüsse der Wheatstoneschen Brücke sind durch Kontaktierungs- bzw. Bonde­ drähte 40 mit der gedruckten Schaltung auf der Leiterplatte 36 verbunden. Das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Brücke wird durch elektronische Komponenten 42, einschließlich einer Ver­ stärkereinrichtung, die unter der Leiterplatte 36 befestigt sind, verstärkt und verarbeitet. Die elektronischen Komponen­ ten 42 und die Bondedrähte 40 werden durch eine Masse aus Ver­ gußmittel 44, die in den Hohlraum 28 gegossen ist, geschützt.

Der die Leiterplatte 36 empfangende bzw. aufnehmende Hohlraum 28 wird durch eine metallische Kappe 46 verschlossen, die in den Körper 16 eng eingefügt ist. Die Kappe 46 ist mit drei dielektrischen Umkleidungen bzw. Hülsen 48 versehen, die jede von einem Zuführungsdraht 50 durchquert werden, der sich von der gedruckten Schaltung auf der Leiterplatte 36 erstreckt. Jede dielektrische Umkleidung bzw. Hülse 48 ist auf den Zufüh­ rungsdraht 50 abgestimmt, um einen Kondensator zur Beseitigung oder Verringerung irgendeines unerwünschten Rauschens zu bil­ den, das anderenfalls zum Spannungssignal auf den Zuführungs­ drähten 50 hinzugefügt würde.

Der elektrische Verbindungsabschnitt 18 wird an dem Körper 16 befestigt, indem der obere Flansch 51 des Körpers innen gegen den unteren Rand 52 der Verbindung 18 umgebogen ist mit einem O-Ring eingebettet zwischen dem unteren Rand 52, dem Körper 16 und der Kappe 46. Der Verbindungsabschnitt 18 ist mit einer Sockel- bzw. Anschlußverbindung 56 mit drei Verbindungsstiften 58, die jeweils mit den Zuführungsdrähten 50 verbunden sind, versehen. Ein nicht gezeigter, geeigneter Verbindungsstecker kann mit der Sockel- bzw. Anschlußverbindung 56 verbunden wer­ den, um eine elektrische Spannung zum Drucksensor 10 zuzufüh­ ren und sein Ausgangssignal aufzunehmen.

Gemäß Fig. 2 können die Dehnungsmesser und zugehörige elektri­ sche Komponenten der Wheatstoneschen Brücke auf der oberen Oberfläche der Membran 32 des Druckfühlelements 30 durch eine Dünnschichterzeugungstechnik, wie beispielsweise Drucken, Dampfbeschichtung oder Kathodenzerstäubung erzeugt werden. Da­ zu wird die Membran 32 zuerst mit einer Dünnschicht 60 aus ei­ nem isolierenden Material, wie beispielsweise Kieselerde bzw. Quarzglas beschichtet und dann wird eine gemusterte bzw. mit Muster versehene Dünnschicht 62 auf einem elektrisch wider­ standsfähigen Material, wie beispielsweise Chromnickel-Silizium, auf der Isolierschicht 60 gebildet. Dann wird ein anderes Dünnschichtmuster 64 aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Gold, auf dem widerstandsfähigen Muster 62 gebildet, um Drahtbondeplättchen zu bilden. Eine Dünnschicht aus einem geeigneten Bindematerial kann zwischen die Schichten 60, 62 und 64 eingeschoben werden, um die Binde- bzw. Bonde­ stärke bzw. Haftfestigkeit zu erhöhen.

Unter Bezugnahme auf die Figen. 3 und 4 werden das Muster 62 von Chromnickel-Silizium und das Muster 64 von Bondeplättchen beschrieben werden.

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, enthält das Muster 62 aus Chromnickel-Silizium sehr kleine, sinusförmige Teile, die da­ zu dienen, vier Dehnungsmesser G1, G2, G3 und G4 zu bilden, wobei die zentralen Dehnungsmesser G2 und G4 entworfen sind, um die Dehnung der Membran 32 zu erfassen, und wobei die Rand-Dehnungsmesser G1 und G3 angeordnet sind, um die kompressive Deformation der Membran zu erfassen. Jeder der Dehnungsmesser G1, G2, G3 und G4 kann so von der Größe her und dimensioniert sein, daß er einen elektrischen Widerstand von ungefähr 1500 Ohm darstellt.

Das Chromnickel-Siliziummuster 62 enthält auch ein Paar von relativ breiten Teilen 66a und 66b, die sich jeweils von den zentralen Dehnungsmessern G2 und G4 erstrecken. Aufgrund rela­ tiv großer Breite sind diese Teile 66a und 66b ausreichend leitfähig und dienen daher als elektrische Leiter. Der zentra­ len Dehnungsmesser G2 und G4 sind jeweils durch diese Leiter 66a und 66b verbunden, um auf den äußeren Enden der Leitertei­ le 66a und 66b ausgebildete Bondeplättchen 68a und 68b zu ver­ drahten. Zuführungsdrähte 40 von der gedruckten Schaltung auf der Leiterplatte 36 (Fig. 1) sind mit diesen Bondeplättchen 68a und 68b gebondet bzw. verdrahtet, um sicherzustellen, daß diese Plättchen 68a und 68b als die Ausgangsanschlüsse der Wheatstoneschen Brücke dienen.

Das Chromnickel-Siliziummuster 62 enthält weiterhin ein Paar von genauen Streifen 70a und 70b, die sich jeweils umfänglich von den Rand-Dehnungsmessern G1 und G3 erstrecken. Die Strei­ fen 70a und 70b sind derart relativ schmal gemacht, daß jeder von ihnen als ein Widerstand mit niedrigem Wert dient. Die Wi­ derstandsstreifen 70a und 70b bilden einen Teil der Nullanpaß­ anordnungen 72a und 72b, der andere Teil jeder dieser Nullan­ paßanordnungen 72a und 72b wird durch eine Reihe von nachste­ hend beschriebenen Bondeplättchen gebildet.

Da die Nullanpaßanordnungen 72a und 72b identisch sind, wird nur eine von ihnen beschrieben werden. Die Nullanpaßanordnung 72b, die zu den Dehnungsmessern G2 und G3 gehört, enthält eine Reihe von Bondeplättchen 74 aus Gold, die umfänglich voneinan­ der gleich beabstandet sind. In dem veranschaulichten Ausfüh­ rungsbeispiel besitzt die Anpaßanordnung 72b sieben derartige Bondeplättchen 74a-74g. Die Bondeplättchen 74a-74g sind auf entsprechenden diskreten Plättchen 76a-76g des Chromnickel- Siliziummusters 62 gebildet, wobei die Plättchen 76a-76g ähn­ lich umfänglich voneinander gleich beabstandet sind. Die Chromnickel-Siliziumplättchen 76a-76g und die Bondeplättchen 74a-74g sind seitlich des genauen Widerstandsstreifens 70b entlang seiner Länge angeordnet und jedes der Chromnickel- Siliziumplättchen 76a-76g ist mit dem Widerstandsstreifen 70b durch einen Ansatzteil 78 verbunden.

Das Ende des Widerstandsstreifens 70b entfernt von dem Rand-Dehnungsmesser G3 ist mit dem zentralen Dehnungsmesser G2 mit­ tels eines Leiterstreifens 80 verbunden, der durch ein breites Muster des Chromnickel-Siliziums gebildet ist.

Gemäß den Figen. 5 und 6 besitzt der derart durch das sinus­ förmige Muster des Chromnickel-Siliziums gebildete Dehnungs­ messer G3 einen elektrischen Widerstand R_C. Der erste Abschnitt des Widerstandsstreifens 70b, der sich zwischen dem Dehnungs­ messer G3 und dem ersten Bondeplättchen 74a befindet, besitzt einen elektrischen Widerstand R₁, der zweite Abschnitt des Wi­ derstandsstreifens 70b, der sich zwischen dem ersten Bonde­ plättchen 74a und dem zweiten Bondeplättchen 74b befindet, be­ sitzt einen elektrischen Widerstand R₂, der dritte Abschnitt des Widerstandsstreifens 70b, der sich zwischen den zweiten und dritten Bondeplättchen 74b und 74c befindet, besitzt einen elektrischen Widerstand R₃, usw. Der Widerstandsstreifen 70b kann derart von der Größe her sein, daß der elektrische Wider­ stand R₁, R₂, R₃, usw. jedes Widerstandsabschnitts beispiels­ weise 4 Ohm ist. Im Gegensatz dazu ist das Bondeplättchen 74a- 74g aus Gold hergestellt mit einer sehr guten Leitfähigkeit und sein elektrischer Widerstand R_a1, R_a2, R_a3, usw. ist 0,02 Ohm.

Gemäß Fig. 7, in der ein Ersatzschaltbild der auf der Membran 32 gebildeten Wheatstoneschen Brückenschaltung veranschaulicht ist, wird das Funktionsprinzip und die Weise der Nullanpassung der Brückenschaltung beschrieben werden.

Nun wird angenommen, daß der Widerstand R_A-R_D aller vier Deh­ nungsmesser G1-G4 unter atmosphärischer Druckbedingung iden­ tisch ist, und, daß die zentralen Bondeplättchen 74d und 82d drahtverbunden bzw. -gebondet sind, um als die Eingangsan­ schlüsse der Brücke zu dienen. Eine konstante Spannung V_CC wird zwischen dem Anschluß 74d und dem auf Masse gelegten Anschluß 82d angelegt. Wenn der Drucksensor 10 dem atmosphärischen Druck unterworfen wird, werden die elektrischen Potentiale V_H und V_L an den Ausgangsanschlüssen 68a und 68b gleich sein, so daß die Ausgangsspannung V_P0 zwischen den Ausgangsanschlüssen 68a und 68b Null sein wird.

Bei Anlegen des Flüssigkeitsdrucks werden die zentralen Deh­ nungsmesser G2 und G4 einer Dehnung unterworfen, so daß ihr Widerstand erhöht wird, um R + ΔR_P zu werden, während die Rand-Dehnungsmesser G1 und G3 einer Kompression unterworfen werden, um einen verringerten Widerstand R - ΔR_P darzustellen. Die Aus­ gangsspannung V_P1 zwischen den Ausgangsanschlüssen 68a und 68b wird (ΔR_P/R).V_CC sein. Die Ausgangsspannung V_P1 wird durch die auf die gedruckte Schaltungs-Leiterplatte 36 montierte Ver­ stärkereinrichtung verstärkt und das endgültige Signal wird zu einer nicht gezeigten herkömmlichen Datenverarbeitungseinrich­ tung zur Berechnung des Flüssigkeitsdrucks ausgegeben.

Das vorstehend beschriebene Funktionsprinzip basiert auf der Annahme, daß alle vier Dehnungsmesser G1-G4 einen identischen Widerstand besitzen. Tatsächlich jedoch werden alle vier Deh­ nungsmesser G1-G4 nicht notwendigerweise identisch sein und der Widerstand der Dehnungsmesser, wie hergestellt, kann auf­ grund von sich aus den Dünnschichterzeugungstechniken ergeben­ den Veränderungen leicht von Meßeinrichtung bzw. Messer zu Meßeinrichtung bzw. Messer schwanken.

Daher wird die Schwankung beim Widerstand der Dehnungsmesser durch die Nullanpassungsanordnung gemäß der Erfindung für je­ des Halbprodukt des Drucksensors, wie hergestellt, kompen­ siert. Dies geschieht auf die folgende Weise.

Zuerst wird in einer atmosphärischen Druckumgebung ein Paar von Sonden einer Testeinrichtung in Kontakt mit den zentralen Bondeplättchen 74d bzw. 82d gebracht. Während eine konstante Spannung V_CC zwischen den Bondeplättchen 74d und 82d angelegt wird, mit denen die Sonden in Kontakt gebracht sind, wird die unausgeglichene Spannung über die Ausgangsanschlüsse 68a und 68b erfaßt. Auf der Grundlage der erfaßten unausgeglichenen Spannung wird dann eine Berechnung durchgeführt, um zu bestim­ men, welches der Bondeplättchen 74a-74g mit der konstanten Spannung V_CC verbunden werden sollte, um sicherzustellen, daß die Ausgangsspannung der Wheatstoneschen Brücke gleich Null ist, und dann wird der Eingangsdraht mit dem ausgewählten be­ stimmten Bondeplättchen verdrahtet bzw. gebondet.

Wenn beispielsweise bestimmt wird, daß der Widerstand des dritten Dehnungsmessers G3 1508 Ohm (R_C=1508 Ohm) ist und der Widerstand des zweiten Dehnungsmessers G2 1496 Ohm (R_B=1496 Ohm) ist, und angenommen, daß der Widerstand jedes der Wider­ standsabschnitte R₁-R₇ 4 Ohm ist, kann die Nullanpassung der Wheatstoneschen Brücke durch Verdrahten bzw. Bonden des Ein­ gangsdrahts mit dem zweiten Bondeplättchen 74b erreicht wer­ den, so daß R_C+R₁+R₂ = R_B+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇ ist. Ähnlich kann im Fall, daß R_C+R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇ = R_B ist, der Eingangsdraht mit dem siebenten Bondeplättchen 74g verdrahtet bzw. gebondet wer­ den, um die Ausgangsspannung auf Null anzupassen. Wie in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel, gibt es insgesamt sie­ ben Bondeplättchen 74a-74g, ein Maximum von 24 Ohm kann entwe­ der zu R_B oder R_C für den Zweck der Nullanpassung hinzugefügt werden.

Die Nullanpassung wird auch auf eine ähnliche Weise für die anderen Dehnungsmesser G1 und G4 ausgeführt, so daß der Wider­ stand der unteren rechtsseitigen Zweigs der Wheatstoneschen Brücke einschließlich des Dehnungsmessers G1 gleich dem Wider­ stand des unteren linksseitigen Zweigs einschließlich des Deh­ nungsmessers G4 ist.

Der Vorteil der Nullanpassungsanordnung gemäß der Erfindung wird im Gegensatz zur in den Fig. 8-11 gezeigten herkömmli­ chen Anordnung beschrieben werden.

Gemäß Fig. 8 enthält die herkömmliche Nullanpassungsanordnung ähnlich ein Paar von Widerstandsstreifen 84a und 84b. In der herkömmlichen Anordnung ist jedoch eine Reihe von diskreten bzw. einzelnen Bondeplättchen 86a-86g aus Gold direkt auf je­ dem der Widerstandsstreifen 84a und 84b gebildet.

Wie in Fig. 9 gezeigt, kann der Widerstand zwischen dem Deh­ nungsmesser G3 und dem ersten Bondeplättchen 86a und zwischen irgendwelchen aufeinanderfolgenden benachbarten Plättchen als R₁, R₂, R₃, usw. definiert werden. Die Nullanpassung der Wheatstoneschen Brücke wird auf eine Weise ähnlich der vorher­ gehenden durch Verdrahten bzw. Bonden der Eingangsdrähte je­ weils mit den ausgewählten der Bondeplättchen ausgeführt, der­ art, daß der Widerstand der oberen Zweige der Brücke ausgegli­ chen ist und daß der Widerstand der unteren Zweige ausgegli­ chen wird.

Einer der Nachteile des Drucksensors mit der herkömmlichen in Fig. 8 gezeigten Nullanpassungsanordnung besteht darin, daß, wenn der einmal angepaßte Drucksensor einer beträchtlichen Temperaturveränderung unterworfen ist, das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Brücke an einer wesentlichen Offsetabweichung aufgrund eines hohen Temperaturkoeffizienten von Gold, das die Bondeplättchen bildet, leidet. Die Offsetabweichung des Brüc­ kenausgangssignals, die aufgrund der Temperaturveränderung auftreten kann, wird nachstehend diskutiert.

Fig. 10 veranschaulicht ein Ersatzschaltbild, das den Wider­ stand des durch irgendein Bondeplättchen, beispielsweise das zweite Bondeplättchen 86b, bedeckten Bereichs der Brücken­ schaltung zeigt, die in den Figen. 8 und 9 gezeigt ist. Der Widerstand R_a2' des durch das Bondeplättchen 86b bedeckten Be­ reichs wird durch den Widerstand R_a2 des Goldplättchens 86b und den Widerstand R_b des Abschnitts des Widerstandsstreifens 84b unter dem Bondeplättchen 86b festgelegt und wie folgt ausge­ drückt.

R_a2' = 1/(1/R_a2 + 1/R_b).

Angesichts dessen, daß der Widerstand Ra₂ des Goldplättchens 86b so klein wie 0,02 Ohm und verglichen mit dem Widerstand R_b von 4 Ohm des darunter liegenden Teils des Widerstandsstrei­ fens 84b vernachlässigbar ist, kann angenommen werden, daß R_a2' = R_a2 ist.

Demgemäß kann der Widerstand des Teils der in Fig. 9 gezeigten Brückenschaltung wie in dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 11 ge­ zeigt dargestellt werden, wobei verständlich ist, daß in Fig. 11 die Bondeplättchen 86a-86g als jeweils mit der Mitte des Widerstands R_a1-R_a7 verbindbar gezeigt sind, da normalerweise der Bondedraht mit der Mitte eines ausgewählten Bondeplätt­ chens verdrahtet bzw. gebondet wird.

Es ist aus Fig. 11 erkennbar, daß der Widerstand R_a1-R_a7 der Bondeplättchen 86a-86g aus Gold in Reihe mit dem Widerstand R₁- R₇ der Abschnitte des Widerstandsstreifens 84b verbunden ist.

Wenn er beispielsweise in einem kraftfahrtechnischen hydrauli­ schen Bremssystem zur Messung des Drucks der Bremsflüssigkeit verwendet wird, wird vorweggenommen, daß der Drucksensor einer beträchtlichen Temperaturveränderung im Bereich von -40°C bis +120°C unterworfen wird. Da Gold, das zur Bildung der Bonde­ plättchen 86a-86g verwendet wird, einen äußerst hohen Tempera­ turkoeffizienten von ungefähr 4000 ppm/°C besitzt, wird der Widerstand jedes Bondeplättchens ansprechend auf Temperatur­ veränderung beträchtlich verändert. Dies kann das einmal durch die Nullanpassung erreichte Gleichgewicht der Wheatstoneschen Brücke zerstören, außer wenn die Bondeplättchen symmetrisch angeordnet sind, d. h., außer wenn die Eingangsdrähte mit den zentralen Bondeplättchen 86d bzw. 88d verdrahtet sind.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung wird die am meisten asymmetrische Bedingung, die als ein Ergebnis der Nullanpas­ sung auftreten kann, eine Topologie bzw. Geometrie der Lage sein, in der der Eingangsdraht bei V_CC mit dem End-Bondeplättchen, z. B. dem ersten Bondeplättchen 86a, verdrahtet ist, wobei der Eingangsdraht bei der Massespannung ähnlich verdrahtet bzw. gebondet, beispielsweise mit dem End-Plättchen 88a. Bei einer derart extremen Bedingung enthält nun jeder der zwei Zweige der Wheatstoneschen Brücke mit den Dehnungsmes­ sern G2 bzw. G4 nun zusätzlich 6 Bondeplättchen 86b-86g oder 88b-88g mit dem Widerstand R_a2-R_a7, die in Reihe mit dem Deh­ nungsmessern verbunden sind. Aufgrund eines hohen Temperatur­ koeffizienten von Gold, das die Bondeplättchen bildet, wird der Widerstand dieser zwei Zweige ansprechend auf eine Tempe­ raturveränderung bemerkenswert verändert.

Nun angenommen (1), daß der spezifische Widerstand von Gold 2,2 × 10^-6 Ohm/cm ist,
(2), daß jedes der Bondeplättchen aus Gold ein Längen- zu Breitenverhältnis von 1 : 2 und eine Dicke von 0,6 µm besitzt,
(3), daß der Temperaturkoeffizient von Gold 4000 ppm/°C ist,
(4), daß die Maximalanzahl von hinzugefügten Bondeplättchen 6 ist,
(5), daß der Widerstand jedes Dehnungsmessers 1500 Ohm ist,
(6), daß das 1 : 1 bzw. Vollausschlag-Ausgangssignal der Wheatstoneschen Brücke bei der Eingangsspannung V_CC von 5 V 7 mV ist,
(7), daß die Temperaturveränderung 100°C ist und
(8), daß eine Widerstandsveränderung von Chromnickel-Silizium aufgrund seines kleinen Temperaturkoeffizienten von ungefähr - 20 ppm/°C verglichen mit dem hohen Temperaturkoeffizienten von Gold von ungefähr 4000 ppm/°C vernachlässigt werden kann, wird die Offsetabweichung der Wheatstoneschen Brücke in einer derartigen extremen Bedingung wie folgt berechnet.

Es wird aus dem vorstehenden bemerkt, daß in dem in Fig. 8 ge­ zeigten Drucksensor mit der herkömmlichen Nullanpassungsanord­ nung ungefähr 1% der Offsetabweichung im Hinblick auf das 1 : 1 bzw. Vollausschlag-Ausgangssignal der Brückenschaltung auf­ tritt, wenn er einer Temperaturveränderung von 100°C unterwor­ fen wird.

Im Gegensatz dazu sind in dem erfindungsgemäßen Drucksensor die Bondeplättchen mit dem Widerstands R_a1-R_a7 parallel mitein­ ander verbunden sind, wie aus Fig. 6 ersichtlich sein wird. Nur eine Hälfte des Widerstands eines ausgewählten Bondeplätt­ chens, mit dem der Eingangsdraht verdrahtet bzw. gebondet ist, ist in Reihenverbindung mit dem Zweig der Brückenschaltung verbunden. Demgemäß wird die Auswirkung der Temperaturverände­ rung minimiert.

Ein anderer Nachteil des Drucksensors mit der herkömmlichen in Fig. 8 gezeigten Anordnung besteht darin, daß das Ausgangs­ signal der Brückenschaltung ansprechend auf eine Zeitspanne verschoben wird, da die Chromatome von der Chromnickel-Siliziumschicht, die den Widerstandsstreifen bildet, in die Dünnschicht aus Gold diffundieren, die die Bondeplättchen bil­ det, um dadurch den Widerstand der Bondeplättchen zu erhöhen. Gemäß einem beschleunigten Test, bei dem der Sensor für unge­ fähr 1000 Stunden auf ungefähr 150°C gehalten wird, wurde der Widerstand der Goldplättchen zweimal so hoch wie der anfängli­ che Wert von 0,02 Ohm und die Gegenwart von Chrom wurde an der Oberfläche der Bondeplättchen aus Gold beobachtet. Dies zeigt an, daß eine Diffusion von Chromatomen bei einer erhöhten Tem­ peratur stattgefunden hat.

Im erfindungsgemäßen Drucksensor wird der Effekt der Chromdif­ fusion auch minimiert, da jeder Zweig der Wheatstoneschen Brücke nicht mehr als eine Hälfte des Widerstands R_a1-R_a7 eines Bondeplättchens enthält, wie aus Fig. 6 ersichtlich sein wird.

Während die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist er­ wartet, daß die Erfindung hierdurch nicht beschränkt ist und zahlreiche Modifikationen und Veränderungen dabei erfolgen können, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Bei­ spielsweise können die Bondeplättchen und der Widerstands­ streifen aus irgendwelchen anderen geeigneten Materialien ge­ bildet werden und ihr Muster und ihre Anzahl können wie ge­ wünscht verändert werden.

Ein Drucksensor vom Dehnungsmesser-Typ frei von einer Offset­ abweichung des Sensorausgangssignals, die sich aus einer Tem­ peraturveränderung und Komponentenverschlechterung ergibt. Der Sensor enthält eine auf Druck ansprechende Membran 32, auf der vier Dehnungsmesser G1-G4 angeordnet sind, um eine Wheatstone­ sche Brücke zu bilden. Der Sensor ist mit Anpassungsanordnun­ gen 72a, 72b zur Anpassung des anfänglichen Brückenausgangs­ signals auf Null versehen, wobei jede Anordnung einen Streifen 70b von Widerstand mit niedrigem Wert und eine Reihe von beab­ standeten Bondeplättchen 74a-74g enthält. Zur Nullanpassung ist ein Eingangsanschluß mit einem ausgewählten der Plättchen 74a-74g verdrahtet bzw. drahtgebondet, so daß der Widerstand aller vier Zweige der Brücke gleich wird. Die Bondeplättchen 74a-74g sind seitlich des Streifens 70b angeordnet, um sicher­ zustellen, daß sie im wesentlichen unabhängig vom elektrischen Widerstand der Brückenzweige sind.

Claims (5)

1. Drucksensor (10) mit einer auf Druck ansprechenden Membran (32) und vier an dieser Membran befestigten Dehnungsmeßein­ richtungen (G1-G4), wobei die Dehnungsmeßeinrichtungen (G1- G4) verbunden sind, um eine Wheatstonesche Brückenschaltung mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen zu bilden, wobei der Drucksensor (10) eine Nullpunktanpas­ sungseinrichtung (72b) besitzt, die einen Streifen (70b) eines Widerstands mit niedrigem Wert verbunden zwischen ei­ nem Paar von benachbarten Dehnungsmeßeinrichtungen (G2, G3) und eine Reihe von Bondeplättchen (74a-74g) angeordnet ent­ lang der Länge des Streifens (70b) und voneinander gleich beabstandet enthält, wobei jedes der Bondeplättchen (74a- 74g) elektrisch mit dem Streifen (70b) verbunden ist, wobei eines der Bondeplättchen (74a-74g) ausgewählt ist, um als ein Anschluß zu dienen, der dem Paar von Dehnungsmeßein­ richtungen (G2, G3) in einer derartigen Weise zugehörig ist, daß eine über die Ausgangsanschlüsse unter der atmo­ sphärischen Druckbedingung entwickelte Ausgangsspannung gleich Null ist, wobei jedes der Bondeplättchen (74a-74g) seitlich des Streifens (70b) angeordnet ist, so daß der elektrische Widerstand jedes Zweigs der Brückenschaltung unabhängig vom elektrischen Widerstand der Bondeplättchen (74a-74g) verschieden von dem ausgewählten, das als der An­ schluß dient, ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, mit einer zweiten Nullpunktanpassungseinrichtung (70a), die zu dem anderen Paar von Dehnungsmeßeinrichtungen (G1, G4) ge­ hört.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das ausgewählte der Bondeplättchen (74a-74g) mit einem der Eingangsanschlüsse der Brückenschaltung verbunden ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Streifen (70b) von Widerstand mit niedrigem Wert aus einem elektrisch widerstandsfähigem Material, das Chrom enthält, gemacht ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, wobei die Bondeplättchen (74a-74g) aus Gold hergestellt sind.