183665. lajstromszámú szabadalom • Félvezető diafragma, félvezetős mechanikus-elektromos átalakító és erőmérő cella
1 183 665 2 A találmány tárgya félvezető diafragma, félvezetős mechanikus-elektromos átalakító és erőmérő cella. Már számos mechanikus-elektromos átalakítót javasoltak különböző alkalmazási területeken. Elektronikus mérlegekben és hasonló berendezésekben félvezető nyúlásmérő bélyeggel ellátott tartót alkalmaznak erőérzékelésre. Ezenkívül számos nyomásérzékelő ismeretes, amelyekben nyomásra érzékeny félvezető diafragmákat használnak. Egy tipikus nyomásra érzékeny félvezető diafragma félvezető lemezzel rendelkezik, amelynek vékony központi része van, amelyen integráltan a lemezzel ellentétes vezetési típusú szennyezéssel kialakított piezoellenállások helyezkednek el. Amikor a diafragma nyomás hatására deformálódik, a piezoellenállás ellenállásértéke ennek megfelelően változik, és így mérhető a nyomás. Egy olyan szerkezetnél, amelyben a nyomásra érzékeny diafragma vékony része folyékony vagy deformálható anyaggal, például szilikonolajjal vagy szilikongumival van borítva, lehetséges a termelés mérése nyomásváltozás alakjában. A félvezető diafragma vékony része négyszögletes, kör alakú vagy bármely más megfelelő alakú lehet, és általában két piezoellenállással van ellátva, amelyek hídáramkört képeznek, vagy a hídáramkör ágaiban vannak elhelyezve. A 4135 408 számú Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi leírás szerinti szilícium diafragmát egy gyűrű alakú mélyedéssel ellátott szilíciumlemez képezi, amely mélyedés egy nyomásra érzékeny rugalmas elemként működő vékony gyűrű alakú tartományt alkot. A szilícium diafragmával kombinálva egy kismértékben bemélyített központi résszel rendelkező hátlapot alkalmaznak, ahol a diafragma központi kiemelkedése határolóként működik. Jelen találmány bejelentőjének 217023 sorszámú Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi bejelentése egy olyan differenciális nyomásmérő átalakítót ír le, amelyben a félvezető diafragma egy vékony gyűrű alakú tartománnyal rendelkezik, és központi kiemelkedő résszel van ellátva, amely vékonyabb, mint a kerületen elhelyezkedő gyűrű alakú rész, és egy sík üvegelem közbeiktatásával egy sík fémtámaszon van rögzítve. A 3456226 számú Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi leírás egy olyan mechanikus-elektromos átalakítót ismertet, amelyben a szilícium diafragma vékony központi részét egy rúd nyomja. Azonban ez a szerkezet, amelyet egy nagyobb nyomás tönkretehet, nem használható erőmérő cellaként. Másrészt egy olyan erőmérő cella esetében, amelyben a mérendő erőt először nyomássá alakítják át, és azután ezt a nyomást merik, az átalakítás miatt hiba kerülhet a mérési eredménybe. Célunk a találmánnyal egy olyan félvezetős erőmérő átalakító létrehozása, amely az eddigieknél nagyobb mérési pontosságot biztosít, és hosszú az élettartama. A találmány tárgya félvezetős mechanikus-elektromos átalakító, amely félvezető diafragmát tartalmaz, valamint erőmérő cella, amely félvezető diafragmát tartalmaz, továbbá félvezető diafragma. A találmány lényege abban van, hogy a félvezető diafragma első nyúlvánnyal és az első nyúlványt körülvevő vékony kapcsoló elemmel, amelyben legalább két piezoellenállás van elhelyezve, amelyek egy hídáramkörnek legalább egyik részét képezik, és a vékony kapcsoló elemet körülvevő második nyúlvánnyal van kialakítva, és a diafragma két csatlakozó felülettel van kiképezve, aholis az első csatlakozó felületet az első nyúlvány egyik felülete, a második csatlakozó felületet a második nyúlványnak az első nyúlvány csatlakozó felületével ellentétes oldalán lévő felülete képezi, és a csatlakozó felületekre erőátviteli elemek vannak elhelyezve. A félvezető diafragma középpontjában első nyúlvány van kiképezve, amely rugalmas kapcsoló elemmel van a peremként kiképzett és az első nyúlványt körülvevő második nyúlványhoz csatlakoztatva, és a rugalmas vékony kapcsoló elemben piezoellenállások vannak elhelyezve, és az első nyúlványhoz első betételem, a második nyúlványhoz második betételem van csatlakoztatva, és az első és a második nyúlványok vastagsága eltérő és az első és a második betételem az első és a második nyúlvány egymáshoz képesti relatív elmozdulását lehetővé tévő házrészekhez van csatlakoztatva. A központi részén első nyúlvány van kiképezve, amelynek egyik felülete képezi a diafragma első csatlakozófelületét, továbbá az első nyúlványhoz legalább részben rugalmas kapcsoló elemmel második nyúlvány van csatlakoztatva, amelynek az első nyúlvány csatlakozó felületével ellentétes oldala képezi a csatlakozó felületét, és a rugalmas kapcsoló elemben piezoellenállások vannak elhelyezve. Á találmány szerint a nyúlványok merev testekként viselkednek, ahol a kívülről alkalmazott erő teljes egészében az első és a második nyúlvány között elhelyezett vékony rugalmas kapcsolóelemet deformáló erőként működik. így az erőmérés nagy pontossággal hajtható végre. A találmány egy előnyös kiviteli alakjánál a félvezető diafragma egy vastag peremként kiképzett nyúlvánnyal, egy vékony gyűrű alakú rugalmas kapcsolóelemmel, amelyben piezoellenállások vannak kialakítva, egy központi nyúlvánnyal, amely kissé vékonyabb, mint a perem és sík csatlakozó felülettel rendelkezik, ahol a peremrész szilárdan egy első üvegbetételemre van rögzítve, míg egy második üvegbetételem a második csatlakozó felülettel van összekapcsolva. A központi első nyúlványt az első üvegbetételemtől csak egy keskeny rés választja el. Ha erő hat a második betételemen át, a gyűrű alakú kapcsolóelem ennek megfelelően megnyúlik, és ennek következtében változik a piezoellenállások ellenállásértéke. Különösen nagy terhelés alatt a központi nyúlvány az első üvegbetételemmel érintkezik, és így a rugalmas rész már nem nyúlik vagy deformálódik tovább. Az erő megszűrne után a félvezető diafragma pontosan a kezdeti vagy eredeti állapotát veszi fel. Mivel a központi nyúlvány és a perem merev testként viselkedik, amely alig deformálódik a terhelés hatására, a diafragma mereven és szilárdan rögzíthető mindkét iivegbetételemen. így az erőmérő cella védve van a sérüléstől és hosszú élettartamú. Más szavakkal a találmány szerint olyan erőmérő cellát javasolunk, amelynek mérési karakterisztikája időben nem változik, és hosszú ideig pontos mérést biztosít. A találmány tárgyát a továbbiakban kiviteli példák és rajzok alapján ismertetjük részletesebben. A rajzokon az 5 10 1 !5 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
