DE1940097A1 - Umformer zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals in Abhaengigkeit von einer zugefuehrten mechanischen Eingangsbelastung - Google Patents

Description

Stow Laboratories, Inc., Kane Industrial Drive, Hudson, Massachusetts, Vereinigte Staaten .von Amerika

Umformer zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignäles in Abhängigkeit von einer zugeführten mechanischen Eingangsbelastung "-..:"

Die Erfindung betrifft allgemein elektromechanisehe Umformer und insbesondere eine Umformeranordnung, bei welcher ein Halbleiterübergang durch eine mechanische Eingangsbe= lastung beaufschlagt wird.

In der Technik ist eine große Zahl verschiedener Druck= umformer bekannt, welche die Aufgabe erfüllen, ein mechanisches Signal in ein elektrisches Signal umzuformen. Bei diesen

009809/1521

bekannten Umformern macht man sich verschiedene Erscheinungen zunutze, beispielsweise die Änderung elektrischer Eigen-schäften eines Leiters,-Kapazitätsänderungen, v/elche durch" mechanische Verschiebungen erzeugt'werden, und piezoelektrische oder magnetostriktive Effekte. Verschiedene Ausführungsformen dieser gebräuchlichen Umformer haben sich auf bestimmten Anwendungsgebieten und in bestimmten Druck- oder Kraftbereichen bewährt.

Eine andere, in jüngerer Zeit entwickelte Umformerbauart macht sich für die Umformung einer mechanischen Eingangs= kraft in ein elektrisches Signal das anisotrope Verhalten eines Halbleiterüberganges gegenüber mechanischen Spannungen zunutze. Bei dieser Umformerart erzeugt ein örtlicher, auf eine Halbleiterfläche parallel zur Ebene eines Überganges zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps einwirkender Druck große, reversible Änderungen der Eigenschaften des betreffenden Kalbleiterüberganges. Umformer, welche diesen Effekt ausnützen, sind beispielsweise in den US -Patentschriften 3 339 085, 3 283 271, 3 270 555 und anderen beschrieben.

Umformer dieser Art haben sich aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ihres weiten dynamischen Bereiches, ihrer Linearität, ihres hohen Signalpegels und ihrer Stabilität

" ² ~ BAD ORIGINAL

009809/1521

1940037

i einer Vie 1 zahl von, ümgebungsbedingungen aus ge·= zeicbiiet:bewahrt-* .-".Zusätzlich. sind Umformer dieser -Art -für die Miniaturisierung .sehr geeignet und können Bait Vorteil .in Verbindung mit Mikroschaltungen verwendet

Zum besseren Verständnis der nachfolgend beschriebenen Erfindung..sei anhand von EIg, 1 der anliegenden Zeichnungenkurz dargelegt, um welche Art von Umformern es sich hier; ' handelt.

Bei einem derartigen Umformer mit einem sogenannten Piezio-übergang, ist.ein Halbleitertäfeichen vorgesehen,-welches einen Bereich eines- ersten Leitfähigkeitstyps 1.8 aufweist, welcher durch einen ebenen Übergang 16 von einem Bereich eines, zweiten Leitfähigkeitstyps 20 getrennt ist. Auf das Halbleitertäfeichen ist ein zugespitztes Ende eines Übertragungsstiftes. 13; auf gedrückt. Das Halb leitertäf eichen ist auf einem Sockelteil· IG befestigt, welches: auch einen, kleinen zylindrischen Ring 12 trägt, der das Halbleitertäfeichen umgibt. Über dem offenen-Ende, des zylindrischen Ringes 12 ist eine metallische Membran,- 26 -.;...-. befestigt, an deren Mitte das stumpfe Ende des Übertragungsstift.es 13 beispielsweise mittels. Epoxyharz 19 befestigt ist. Der, Sockel kann.mi.t Öffnungen Ah .versehen sein, so daß ; · - - _: sich .der jD.ruck auf, der .Außenseite: des Sockels^, .durch -diese

009809/Ί 521

' '■".■■ " BAD ORIGINAL

öffnungen auf die Innenseite der Membran übertragen kann. Sollen absolute Druckwerte gemessen werden, so kann jedoch auch ein dichter Abschluß der Membraninnenseite, vorgesehen sein. Elektrische Verbindungen zu dem Halbleiterorgan können über eine isoliert durchgeführte Leitung 15 zu dem HaIbleiterbereich 18 und über einen Anschlußstift 17 unter den Sockel 10 zu dem Halbleiterbereich 16 hergestellt werden. Für Geräte mit Mehrfachübergangen_s beispielsweise für Transistoren, können zusätzliche Leitungen ähnlich der isoliert durchgeführten Leitung 15 vorgesehen sein.

Wird ein Druck von einer Seite der Membran her auf diese ausgeübt, so ergibt sich eine Änderung der über die Spitze des Übertragungsstiftes 13 auf die Halbleiteroberfläche und den darunterliegenden übergang ausgeübten Kraft. Auf Grund des anisotropen Spannungseffektes bewirkt eine Änderung der mechanischen Spannung an dem übergang eine Änderung der Eigenschaften dieses Überganges und damit eine Änderung eines von dem übergang abgeleiteten elektrischen Signales.

Da zunächst eine wirksame Druckkraft auf den. über- / tragungsstift -ausgeübt" "werden muß, damit der Umformer als , in beide Richtungen wirksames Gerät arbeiten kann, ist .eine Vorspannungskraft/erforderlich. Diese Vorspannung oder „ Vorbelastung wird durch ein Abbiegen der Membran während "

009809/1 524

des Zusammenbaues oder während der Herstellung erzeugt, so daß beim Zusammenbau der Anordnung ein Zustand erreicht wird,, bei welchem der Betriebspunkt unter der Eingangs = belastung Null für den Umformer annähernd in der Mitte des linearen Teiles der Spannungs/Druck-Kennlinieliegt.

Es hat sich herausgestellt, daß diese Bauart eines Umformers praktisch auf maximale Druckunterschiede im Bereich von etwa O₉QT at beschränkt ist. Andererseits ist bei Drücken unterhalb 0,07 at eine verhältnismäßig große Nachgiebigkeit der Membran vorzusehen. Die Membran-26 kann beispielsweise aus einem Beryllium-Kupfer-Blech von 0,0375 mm Dicke .hergestellt-, sein,, welches an einem 0,1-75 nun starken¹, aus dem Werkstoff "Kovar" bestehenden Ring 12 befestigt ist. Die Nachgiebigkeit der genannten Membran ist größer als die Nachgiebigkeit irgendeines anderen Teiles der gesamten Anordnung» Um nun das Gerät in der oben erwähnten Weise vorspannen zu können , muß das Zentrum der Membran um etwa 0,0075 mm ausgebogen werden. Temperaturänderungen bewirken kleine Abmessungsänderungen sämtlicher Teile der Einrichtungen. Beispielsweise beträgt die axiale Längen= änderung der Epoxyharzhalterung 19 für eine Temperaturänderung von 50 C etwa 75 · 10 mm, also einen beträchtlichen Bruchteil der zur Vorspannung der Membran vorzusehenden

; ■ - 5 - . .;'. ■-■ ; 009809/1521

19400S7

Ausbiegung, weshalb durch die Temperaturänderung eine bemerkbare Änderung der Vorspannkraft und der entsprechenden Nulleinstellung des Gerätes verursacht wird. Die thermisch verursachten Abmessungsänderungen der übrigen Teile der Ein= richtung sind von entsprechender Bedeutung.

Wird nun versucht, die Empfindlichkeit durch Verwendung einer starreren Membran herabzusetzen, so werden die thermischen Abmessungsänderungen in ihrer Auswirkung noch bedeutsamer, da eine zur Erzielung der richtigen Vorspannungnotwendige Ausbiegung einer solchen Membran noch kleiner ist und daher die thermisch verursachten "Abmessungsänderungen proportional größer werden und praktisch selbst für kleine Temperatur= änderungen die für die Erzeugung der Vorspannung vorgenommene Auslenkung übertreffen können, wodurch eine solche Anordnung ihre praktische Verwertbarkeit verlieren kann. Demgemäß ist diese bei Umformern bekannte Maßnahme zur Veränderung der Empfindlichekeit bei Geräten mit sogenannten Piezo-übergängen nicht geeignet, weshalb Geräte mit solchen Uniformere lementen auf den Betrieb in sehr niedrigen Druckdifferenzbereichen beschränkt sind. ■

Durch die Erfindung soll die Aufgabe, gelöst werden," Umformer der betrachteten Art in.einem größeren Bereich von Druckunterschieden verwenden zu können, ohne daß eine die Brauchbarkeit in Frage stellende Beeinflussung durch die

009809/1521

Umgebungsbedingungen^ Insbesondere durch die Temperatur auftritt. ■

Diese Aufgabe wird bei einem Umformer zur Erzeugung · eines elektrischen Ausgangs signales in .Abhängigkeit.-von. einer augeführten mechanischen Eingangsbelastung durch ein Uniformere lement, welches einen Halbleiterkörper mit zwei durch einen p-n-übergang getrennten Bereichen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps und einen übertrasungsstift enthält, welcher mit einem Ende gegen den Halbleiterkörper nahe dem p-n-übergang angedrückt ist,.ferner durch-einen Sockel, welcher ein starres Halteteil trägt;, weiter durch eine an diesem " Halteteil befestigte Membran, wobei-das Umformerelement zwischen dem Sockel und einer.bestimmten Stelle der'Membran angeordnet und mit diesen Teilen mechanisch verbunden ist,' fernerhin durch eine verhältnismäßiG große Nachgiebigkeit' aer Membran und eine verhältnismäßig große Starrheit des Kalteteiles und schließlich durch ein Koppelelement zur übertragung der mechanischen Eingangsbelastung auf die Membran gelöst, welches die Eingangsbelastung an einer Reihe von Punkten auf die Membran, überträgt, welche-ijeweils bestimmten Abstand von der Stelle aufweisen, an der das Umformerelement· mit der Membran verbunden ist.

Weitere.,zweckmäßigeAusbildungen des erfindungsgemäßen .Umformers, bilden Gegenstand der anliegenden Ansprüche.

- Ί -00980 9/ 152·ί

' 19400£i7

" Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeis-pielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen Axialschnitt· durch den

zuvor bereits betrachteten, bisher gebräuchlichen Umformer,

Fig. 2■"■"■■- einen Axialschnitt durch einen

"Umformer nach der Erfindung,

Fig*: 3a, 3a¹, 3b, v

3b', 3c und 3c' ■ schematisch'e Darstellungen von V - ■■ - Federmodellen und Kräfteplänen, Vielehe dem Angriff der Kräfte an verschiedenen Punkten der Anordnung ■ " ' nach Fig. 1 entsprechen, /

Fig. 4 eine Aufsicht auf die erfindungs

gemäße Einrichtung nach Fig. 2,

^; -Fig. 5 '..■.--■■ eine Aufsieht auf eine andere ■ ■' : ■ Ausführungsform eines Umformers - ·

• · ■: ' ' '"■'.'■:■-■' /'■■·.' ■■■-" , nach der Erfindung j . ; -"-

009809/1521 '

Fig. 6 einen-Axialschnitt durch eine

nochmals andere Ausführungsform eines Umformers nach der Erfindung,

Fig. 6a eine Aufsicht auf den Umformer

nach Fig. 6,

Fig. 7 eine s.chematische Abbildung eines

charakteristischen Schaltplanes für den erfindungsgemäßen Umformer,

Fig. 8 . ein Diagramm, welches die Spannungs-Druck-Kennlinie einerseits eines bekannten Umformers und anderer= seits eines erfindunäsgemäßen Umformers wiedergibt, und

Fig. 9 einen Axialschnitt durch eine

nochmals andere Ausführungsform eines Umformers nach der Erfindung.

In großen Zügen kann festgestellt werden, daß ein erfindungsgemäßer Umformer sich in erster Linie dadurch -von einem bisher bekannten Umformer unterscheidet, daß er zusätzlich ein Bauteil aufweist, welches die äußere, zugeführte Kraft

- 9 09809/1521 ,,

1940087 10

oder den Belastungsdruck auf die Membran an einer Reihe; bestimmter Punkte überträgt, welche von dem Verbindungspunkt bzw. Anschlußpunkt des Übertragungsstiftes einen gewissen Abstand haben» Das zusätzliche Bauteil ist entweder ausreichend starr ausgeführt oder mit ausreichendem Zwischenraumin axialer Richtung von der iiembran entfernt angeordnet, so daß irgendwelche Änderungen bezüglich der Berührungsstelle gegenüber der Ilembran beim Zuführen der Eingangsbelastung vermieden werden oder aber das genannte Bauteil ist bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung bewußt so ausgebildet, daß es seine Gestalt beim Zuführen der mechanischen Eingangs= belastung verändert und dadurch auch eine Veränderung des Angriffspunktes an der Membran stattfindet, wodurch.sich die Beziehung zwischen der mechanischen Einsangsbeiastung und dem elektrischen Signal in ganz bestimmter Weise Kodifizieren läßt. - / '■ . ■ . .

bin solches Bauteil geeigneter Form ist ein konvexer Dom, welcher nur längs seines äußeren Randes an der konkaven Membran befestigt ist. Der Durchmesser dieses doraartigen Teiles kann entweder im wesentlichen genau so groß oder kleiner als der Durchmesser der i-Ierabran sein. Eine solche Anordnung ergibt eine proportionale Aufteilung der mechanischen Belastung" zwischen dem Übertragungsstift und dem als- Halteteil verge= sehenen Ring. Wenn sich der Durchmesser des domförsiigen Teiles

- BAD ORIGINAL

009809/1521

1B40OB7

vergrößert;', so überniiaiHt d£r iialtering. einen größeren 'Anteil der gesamten· meclianischeii iiihgangsbelastung* während sieh der Belastungsanteil- des Übertragungsstiftes verringert. Die von dem· erfindungsgemäßen Uniformer ^;aufnehmbare und meßbare gesamte ^ingangsbelastung wird also erhöht und die ■ Ijnp-find= liohkeit des Umformers in'der gewünschten ν,Γεϊεε verringert»" Andererseits wird jedoch die iiaehgiebigkeit der iiembran' nur ganz wenig durch die liinzufugung des domartigen Teiles herab = _öesetst. und demgemäß bleibt die.Größe der zur Erzeugung der Vorspannung notwendigen liembranaus lenkung annähernd gleich derjenigen"·, welche: für bekannte ■ Umformer hoher Lmpfindlichkeit vorauseilen ist. Die Lmpfindlichkeit der erfindungsgemaAen Änorünmng gegen theriaisch verursaclite Veränderungen'-ist demgemäß nicht wesentlich· größer als diejenige bekannter" Geräte.

Damit nun ein symmetrisches Ansprechen erreicht und in ■ höhere Ilaße ein Ausgleich gleichsinniger Druckänderungen erzielt wird, was· sowohl bei Druckdifferentialumformern als auch bei ilräftümforinerH WunscherisWert ist, muß die ' iiäuptEenibran zumindest eine öffnung innerhalb "des von dem domartigen bauteil-überdecltteii Bereiches aufweisehV so daß' der Innendruck öder -Bezugsd-rück -sich auf die Innenseite ■ des Doiateiles.'übertTagen'fcann'i während der 'zweite-, -zugeführ-te Druck^f:auP-die "uuiaeiifliefee oder #i"e "geg'enüberliegende -F'läeile·^:-"'■'"■"■'

009809/1 52 i' ' bad original

■.··■ f i-i '" .'■ <■>'■■ ·' ■" '"-

des domartigen Teiles einwirkt.

Soll der Umformer für Druckmessungen-verwendet -werden-, "■-so iauiü die Berührung swischen dem Donteil und der ileffib'ran Kontinuierlich ausgebildet sein und es muß ein dichter Abschluß zwischen dem Innenraum und den äußeren Räumen vorgesehen
sein. Für die Messung von Kräften oder Belastungen müssen weder''das domartige Bauteil noch die ileiabran mit""'"kontinuierlichen . ■'-."' Flächen ausgestattet sein noch muß die Berührung zwischen

α ei» domartigen Bauteil oder einem entsprechenden Bauteil nach ·.-'.- der Erfindung und der Ilembran kontinuierlich ausgebildet
sein oder einen dichten Abschluß gewährleisten.

In Fig. 2 der Zeichnungen ist also ein Umformer nach der Erfindung dargestellt. Auf einem Sockel 51 ist ein Halbleiterkörper 30 befestigt. Außerdem ist mit dem Sockel 31 ein zylindrischer Haltering 32 fest verbunden. Ein Ende
eines Übertragungsstiftes 3^ ist gegen die Oberfläche des halbleiterkörpers gedrückt, "während das gegenüberliegende Ende des Übertragungsstiftes mittels Epoxyharz 35 annähernd in der lutte einer ilembran 3δ befestigt ist, die ihrerseits beispielsweise durch Löten mit dem Haltering 32 verbunden

ist. Die Membran38 ist mit siedurchdringenden öffnungen versehen. Ein zusätzliches, domartiges Teil oder eine Scheibe ist längs ihres Randes an der ilembran 38 befestigt,- Wie aus

BADORlGiNAL

19400&7

Fig. 4 der Seichnungen deutlicher zu ersehen ist, hat der Dom 45 gleichen oder kleineren Durchmesser als der Haltering 32, Das Harüleitertäfelchen 30 kann im wesentlichen beliebige Gestalt haben und enthält mindestens einen p-n-übergang, welcher zu derjenigen Fläche des Halbleitertäfelchens parallel ist, gegen welche der Übertragungsstift gedrückt ist, wobei dieser übergang unmittelbar, unter der genannten Fläche liegt. Als typisches Halbleiterorgan läßt sich ein Silizium-npn-Planartransistor verwenden, dessen Emitter-Basis-Übergang durch den Übertragungsstift unter Spannung gesetzt wird. Elektrische Anschlüsse zu dem Halbleiterelement werden über die Kontakte 46,. 4.7 und 49 hergestellt. Die grundsätzliche Anordnung kann unter Verwendung beliebiger Werkstoffe und/oder Abmessungen aufgebaut werden*. Die wichtigste Eigenschaft ist, daß die Ilachgiebigkeit des Halteringes 32, des über- _. ". tragungsstiftes 34, des Halbleitertäfelchens 30 und des Sockels 31 beträchtlich geringer ist als diejenige der Membran 38. Der Werkstoff "Kovar" hat sich als besonders zweckmäßig für die Herstellung des Sockels sowie auch des Halteringes herausgestellt. Beispiele für die zu wählenden Abmessungen sind ein Ringinnendurchmesser von 4,25 mm und eine Wandstärke von 0,175 mm. Der Übertragungsstift 34 kann entweder gleichförmig aus sehr hartem Werkstoff her= gestellt sein oder teilweise aus verhältnismäßig hartem Material bestehen, beispielsweise aus Stahl gefertigt sein,

009809/1521 bad original

■ ■ 1940GS7

una eine Diamantspatse tragen. Lpoxyharze, wie sie zur Befestigung des Übertragungsstiftes 54 und des dbn.arti^en Teiles 45 an der Ileir.cran 3δ verv/endet v/erden, sind allgemein in Gebrauch. '

Fig. 7 der Zeichnungen zei^t ein charakteristisches Beispiel für die ^eschaltung des oben beschriebenen Umformers nach der Erfindung. Eine Spannungsquelle 50, welche beispielsweise eine Spannung von 10 Volt liefert, gibt an den Umformer über den Kollektorwiderstand 51 eine Kollektorspannung weiter,'. während die Basisvorspannung über das Potentiometer 52 und ' den V/iderstand 53 bezogen wird. Das Potentiometer 52 und die widerstände 51 und 53 haben, beispielsweise jeweils einen

4
Wert von 10 . Ohm.

Die Spannung zwischen Kollektor und Emitter in Abhängigkeit zum Eingangsdruck ist als Kennlinie der Anordnung gemäß Fig. 2 innerhalb der in Fig. 7 gezeigten Schaltung durch die Kurve A in Fig. 8 der Zeichnungen für den Fall wiedergegeben^ daß das zusätzliche Bauteil 45 nicht vorhanden ist. Bei einer solchen Anordnung war die Membran 38 aus Beryllium-Kupfer= blech in einer Stärke von 0,0375 mm und mit einem Durchmesser von 4,62 mm gefertigt* Man sieht, daß die Empfindlichkeit , einer solchen Anordnung im linearen Betriebsbereich etwa 100 Volt/at beträgt.

■■-■:.'■ ■ .. : * BAD ORiGiNAJ

Q09809/1521

In der erfindungsgemäßen Umformeranordnung' ist nun auf der Membran 38'ein domartiges Lauteil,aus Nickel mit einer Wandstärke von 0,12b nun und einem Durchmesser von 3 mm befestigt. Ferner ist axe Membran 38 mit Durchgangsöffnungen versehen, welche ein unmittelbares Einwirken des Innendruckes auf die Unterseite des domartigen Bauteiles k? erlauben. In Fig. 8 der Zeichnungen ist mit der Kurve B die Kennlinie der Kollektor-Emitter-Spannung ' in Abhängigkeit vom Lingangsdruck für die in Fig. 2 dargestellte, erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung wiedergegeben. Die Empfindlichkeit ist in diesem Falle nunmenr 11,4 Volt/at im linearen Betriebsbereicn, was einer Verminderung der Empfindlichkeit etwa im Verhältnis 9 : entspricht.

Die theoretischen Grundlagen für die Änderungen der Empfindlichkeit, die sich durch die oben beschriebenen Maßnahmen erzielen lassen, ergeben sich aus der Betrachtung der Ersatzmodelle, Vielehe in den Fig. 3a, 3b und 3c gezeigt sind, sowie der Kräfteschaubilder nach den Fig. 3a¹, 3b^f und 3c', In den Ersatzmodellen ist die jeweilige Nachgiebigkeit der Bauteile durch die Federkonstanten angedeutet.: In sämtlichen Fällen ist angenommen, daß die Membran einfach längs des Randes des Sockels gehaltert ist. Die Fig. 3a und 5a¹ zeigen das Ersatzmodell, bzw. das Kräfteschaubild für eine punktförmige

- 15 003809/1521 . - _

BAD ORIGINAL

19A0097

Belastung, die in der Mitte der Membran unmittelbar oberhalb des Übertragungsstiftes angreift. Die Nachgiebigkeit des Übertragungsstiftes liegt in Reihe mit der Nachgiebigkeit des Sockels und diese Reihenschaltung liegt parallel mit einer zweiten Reihenschaltung, welche die Nachgiebigkeit der Membran und diejenige des Halteringes enthält» Besitzt nun die Membran eine hohe Nachgiebigkeit, so entspricht ihr im Ersatz-. modell eine sehr weiche Feder, Vielehe zwischen den Angriffspunkt der Kraft und die Halterung geschaltet ist. Der hauptsächliche Kräfteverlauf führt daher über den Übertragungsstift und den Sockel, während kaum wesentliche Kräfte über die Membran und das ringförmige Halterungsteil übertragen werden. In. den Fig. 3b und 3b¹ der Zeichnungen sind das Ersatzmodell und das Kräfteschaubild für eine Belastung dargestellt, welche längs des Randes der Membran 38 unmittelbar oberhalb des Halteringes 3.2 einwirkt. In diesem Falle haben sämtliche Federkonstanten dieselben Werte wie im Falle der Fig. 3a und 3a'» doch nun liegen die Ersatzfedern der Membran, des Übertragungsstiftes und des Sockels in Reihe'zwischen dem Angriffspunkt der zugeführten Belastung und der unterstützung und parallel zu dieser Reihenschaltung liegt nur die Ersatzfeder des Halteringes. Weist die Membran wiederum eine verhältnismäßig hohe Nachgiebigkeit im Vergleich zu derjenigen des Halte= ringes 32 auf, so überwiegt der Krafteverlauf unmittelbar über dem Haltering, während im wesentlichen keine Kräfte

BAD ORfQ{M_AL

009809/1521 T

längs des Weges über die Membran, den Übertragungsstift und den .Sockel übertragen werden.

In den Fig. 3c und 3c' der Zeichnungen sind das Ersatzmodell· bzw. das Krafteschaubild für einen Fall wieder= gegeben, in. welchem die Eingangsbelastung in einem bestimmten Bereich zwischen der .Mitte der Membran und ihrem Rande züge= führt wird. In diesem Falle verläuft ein Kraftübertragungsweg über die'Reihenschaltung der Ersatzfeder des Sockels, der Ersatzfeder des Übertragungsstiftes und desjenigen Teiles der Membran, welcherzwischen dem Kraftangriffspunkt und demüberträgungsstift gelegenist. Parallel zu diesem Kraftübertraguhgsweg verläuft ein weiterer KraftÜbertragungs-v weg, welcher die Ersatzfedern des' Halterungsringes und desjenigen Teiles der Membran enthält, der zwischen dem ,' Kräftangriffspunkt und dem Rande der Membran gelegen ist. Unter den in den Zeichnungsfiguren 3c und 3c* gezeigten Bedingungen wird die zugeführte Kraft zwischen den-beiden Kraftübertragungswegen entsprechend ihrer jeweiligen relativen Nachgiebigkeit aufgeteilt. Mit anderen Worten, die Verteilung der zugeführten Kraft zwischen dem übertragungsstift und dem Halterungsring hängt von der Lage des Kraftangriffspunktes der zugeführten Kraft längs des Radius der Membran ab. Ist « also das domartige Bauteil 45 hinzugefügt und wirkt auf das

009809/15 21

Gerät ein gleichförmiger Außendruck, so erzeugt das domartige Bauteil an seinen Berührungsstellen mit der Membran eine Kraft, welche dem Drückintegral über seine Oberfläche gleich ist. Diese'Kraftverteilung entspricht sehr genau derjenigen nach Fig. 3c der Zeichnungen, jedoch mit der Ausnahme einer kleinen zusätzlichen Kraft, die durch den Druck erzeugt wird, der auf die noch freiliegenden Bereiche der Membran einwirkt. Die resultierende Summe dieser Kräfte geht dann in die Bestimmung der Empfindlichkeit der Anordnung ein. - - 7' ... - - - _: - ■ / " .- -/ - - V ^; ■ '-

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß bei einer Vergrößerung des domartigen Bauteiles ein größerer Anteil der zugeführten Gesamtkraft von dem Haltering aufgenommen wird und daß daher der Umformer eine höhere Gesamtbelastung aufnehmen kann, während die mittels des Übertragungsstiftes auf den Kalbleiterübergang übertragenen Kräfte im wesentlichen unverändert bleiben.

Zur.Messung oder Feststellung von Kräften anstelle von Drücken ist eine Anordnung besonders geeignet, welche in Pig. 5 der Zeichnungen in Aufsicht wiedergegeben ist. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung"ist an der Membran -38 das domartige Bauteil 48 in einer skelettierten Gestalt befestigt und dient zur Verteilung der Kräfte, Vielehe dann ·

■'; ■- ■ -■■'■■" BAD ORfGiNAL

00980^15 21

unmittelbar an das Bauteil 48 angekoppelt werden. Im übrigen arbeitet.diese Ausführungsform der Erfindung in jeder Hinsicht genauso wie die Ausführungsform nach Fig. k der Zeichnungen.

Bei aen in den Fig. 2 und 5 der Zeichnungen gezeigten Umformern wird die Eingangskraft an einer Reihe von Punkten zugeführt, welche eine mit dem Äußenrand des domartigen Bauteiles zusammenfallende Linie bilden. Das Koppelelement kann aber in anderen Anordnungen auch an einem oder mehreren bestimmten Punkten angeschlossen sein. Eine solche Ausbildung ist in den Fig. 6 und 6a der Zeichnungen gezeigt, in denen eine zweite Membran 55 dargestellt ist, welche an drei voneinander getrennten Stellen 56, 57 ^un(i 58 an die Membran angeschlossen ist. Auch bei dieser Ausbildung wird die zugeführte Eingangskraft je nach Lage der Anschlußstellen zwischen dem Übertragungsstift und dem Haltering aufgeteilt.

Während bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele die Verwendung eines doniartigen Bauteiles von kreisförmiger Gestalt aufgezeigt wurde ^ können auch andere geometrische Formen verwendet werden. In gleicher Weise kann auch die Hauptmembran skelettiert ausgeführt sein und von der Kreisform abweichen.

- 19 - .

009809/1521

• · . , BAD QRfGINAL

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen war das Halbleitertäfeichen ferner an dem Sockel befestigt, während die Spitze des an der Membran befestigten Übertragungsstiftes gegen die Oberfläche des Halbleitertäfelchens nahe dem Halbleiterübergang angepreßt war. Auch dieses Umformerorgan des erfindungsgemäßen Umformers kann innerhalb des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens abgewandelt werden. k"" Beispielsweise; kann die Belastung des- planar en Halbleitertiberganges dadurch erfolgen, daß dieser übergang an die Oberfläche gebracht und in der sogenannten Mesaform ausgebildet "wird-, so daß ein stumpfer Übertragungsstift unmittelbar auf den übergang drücken kann. Auch kann der Umformer so aufgebaut sein, daß das Halbleiterorgan an der Membran befestigt ist, während das stumpfe Ende des Übertragungsstiftes an dem Sockel befestigt ist. In jeder dieser Abwandlungen wird aber in der erfindungsgemäßen Weise die Empfindlichkeit erniedrigt, wenn das Koppelelement an die Membran angefügt wird.

Durch das zusätzliche domartige Bauteil nach den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen lassen sich Umformer herstellen, die in einem Bereich der Druckdifferenzen von etwa 0,07 at bis etwa 7,0 at arbeiten können.

■-■ - 20 - \ _ BAD ORIGINAL-

Ίη Pig._: "9> der Zeichnungen* ist» nun noch ein weiteres-Äüsf ührung'sbeispiei der: Erfindung, abgebildet.. -Hier ist ein dbwärtiges Bauteil 6± längs seines_i Randes: an- dem Rande der · Membran 3$ befestigt.rDas Bauteil 6i, ist: mit kleinen, nach innen weisettden Einp;ressungen. 62: und; 63 versehen,, die· au£ einem Durchmesser? liegen,, der; kleiner als der Außen durchmesser des Teiles: 6li: isfe.; Auf der-Membran y& sind! zwei Vorsprünge 56: und 5Ί. in^; einer Lage angeordnet,' weiche^: eine Abstützung der Kingressungen gegen die Vorsprühge. ermögXicnt;,^ wenn das: Qomartige· Bauteil £>% genügend, weit; einwärts; gebogen wird. "Bei dieser ÄhOrdnühg wind, die* Eingangsbelasjtung zunächst auf den; Außenranü' ve2?tei,lt-,_? bis. 'die; durch die> Eingangsbelastung erzeugte Kraft ausreichend. gEo:ßi; wii?id_s,_# um, das domartige Bauteil 6.-1-." so^: weite zu; verfbrmeir,, da& die; Einpreasungen: 62 und. o5^ in- Berührung mit dien; Vors^rüngein* 56 und, 5X gelangen. Während: des; Einwirkens- einer Söl^chen^ öder einer größeren. Belastung; bBStiimmt.. sich; die; "yssrteiiningi der;· BeiaSitung; zwischen, dem. nbe3?tragungss?ti-if't; ~5M unds demi Ha-MSering 32' aiis^ der Lage: der- genanniten! IKorsgrühge;^ wodüircht die? Empfindüüchkeit erhöht wird;,, während:, bei;, geringeren? Beilas^üngswerteni die !lastverteilung. über¹ dens Auföendkircnmesiseir" desi domartigen: Bauteiles; βΐ eiifolgt:,?, so; daß der ümfiorifferr geringeajö' Empf indiLichkeit besiteztv

Im; Rahmen dei?^; Erfindung bietet sich dem= Fachmann noch:

BAD ORIGINAL.

eine: Vielzahl von. AbwandlungsBiägliehkeiten der. b es einrieb enen A-us.£uhrungs..He:isp.iele,_? welche j.eaoch· von dem- der Lrtindung. zugr-undelie^enden:,:.; grundsätzliciien Gedanken. mi-t.ura£aßt: weiden*.

BAD

009809/1521

Claims (9)

1. Patentansprüche

   /lAUmformer zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales in Abhängigkeit von einer zugeführten mechanischen Eingangsbelastung, gekennzeichnet durcn ein Umformerelement (3,0, 34), welches einen halbleiterkörper (30) mit zwei durch einen p-n-übergang getrennten Bereichen unterschiedlichen lieitfähigkeitstyps und einen übertragungsstift (34) entnält, welcher mit einem Ende gegen den Halbleiterkörper nahe dem. p-n-übergang angedrückt ist, ferner durcn einen Sockel (31)» welcher ein starres halteteil (32) trägt, weiter durch eine an diesem Halteteil befestigte Membran (38), wobei das.Umformerelement zwischen dem Sockel und einer bestimmten Stelle der Membran angeordnet und mit diesen Teilen mechanisch verbunden (35) ist, fernerhin durca eine verhältnismäßig große liachgiebigkeit der Membran und eine verhältnismäßig große Starrheit des h'alteteiles und schließlich durch ein Koppelelement (45 bzw. 48 bzw. 55 bzw» 61) zur übertragung der mechanischen i_,ingangsbelastung auf die Membran, welches die Eingangsbelastung an einer Reihe von Punkten auf die Membran überträgt, welche jeweils bestimmten Abstand von der Stelle aufweisen, an der das Umformerelement mit der Membran verbunden ist.

   009809/1521

   BAD ORIGINAL
2. 2. umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   üaß das Koppelelement (45 bzw. 48 bzw. 61) von einem domartigen uauteil gebildet ist, welches längs seines Außenrandes an der Membran (38) befestigt ist und einen Durchmesser aufweist, welcher nicht größer als derjenige der Membran ist.
3. 3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die mechanische Eingangsbelastung von einem Druck gebildet ist, welcher im wesentlichen auf die gesamte Fläche des Koppelelementes und den freiliegenden bereich der Membran einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (3D und das Halteteil (12) dicht an die Iiembran (3-8) angeschlossen sind und daß die Membran mit Durchgangsöffnungen (40) versehen ist, welche in dem unterhalb des Koppelelementes bzw. des domartigen Bauteiles (45)gelegenen Bereiches der Membran angeordnet sind, so daß ein abgeschlossenes Volumen mit einem bestimmten statischen Bezugsdruck unterhalb des Koppelelementes gebildet ist (Fig. 2).
4. 4. Umformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das domartige Bauteil (48) skelettförmig ausgebildet ist und daß eine die mechanische Eingangsbelastung bildende xiraft an dieses Bauteil unmittelbar angekoppelt ist (Fig. 5).'
5. 5. Umformer nach einem der Ansprüche 1 bis '4, dadurch

   BADORiGfNAL

   009809/1521

   1940037

   gekennzeichnet., daß das umformer element (30 > 3^) so angeordnet und- ausgebildet^ist, daß der Halbleiterkörper (30) an dem Sockel (31) befestigt ist-, während das nicht gegen die Oberfläche des Halbleiterkörpers drückende Ende des Übertragungsstiftes (3*0 an der i-lembran. (38) nahe deren Mitte befestigt (19) ist..
6. 6.. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das'Koppelelement (55) mit der Membran (38) /an yerschiedenen, gesonderten Punkten (56» 51» 58) verbunden ist, welche keine durchgehende Linie bilden (Fig. 6 und 6a).
7. 7„ Umformer nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet., daß der Halbleiterkörper (.3Q) die .Form eines Silizium-npn-Planartransistors hat, daß die Membran (38) aus Beryllium-Kupfer-Blech in einer Stärke von 0,0375 mm hergestellt ist und daß das domartige Bauteil aus Nickel besteht und eine Wandstärke von 0^:125 mm aufweist,
8. 8. Umformer nach Anspruch I₉ dadurcii gekennzeichnet, daß das KoppeIelement (61.) mit der-Membran; (38) eine sich unter der Wirkung der mechanischen EingangsTDelastung verändernde. Berührung (56, 51,» 62, 63) aufnimmt (Fig. 9).
9. 9. Umformer nach Anspruch 8,,dadurch gekennzeichnet.

   0O9"soli7i 521 *

   . BAD ORIGINAL

   ■ V . Air ■■·■ ; ^::; :/-./■-

   daß das iJoppe le lernen t (61) die Membran.'(3x5) bei einer" V ■' unter einem bestimmten Wert gelegenen iJIngangsielästung - [ längs einer ersten Reihe bestimmter Punkte berührt, v/ährend bei einer über dem. genannten "wert gelegenen Belastung
   die Berührung auf eine zweite Gruppe von Berührungsstellen (56, 57, d2, Sj) überwechselt (Γιο· 9). .'

   BAD ORIGINAL

   0098 0 9/1521