183665. lajstromszámú szabadalom • Félvezető diafragma, félvezetős mechanikus-elektromos átalakító és erőmérő cella
1 183 665 2 1/a ábra a találmány egyik kiviteli alakjának metszete, az 1/b ábra az 1/a ábrán látható erőmérő cellában alkalmazott félvezető diafragma felülnézete, a 2/a és 2/b ábra az 1/a szerinti erőmérő cellában alkalmazható további félvezető díafragmák felülnézete, a 3. ábra a találmány egy másik kiviteli alakjának metszete, a 4/a és 4/b ábra a találmány egy további kiviteli alakjának metszete, illetve felülnézete kitöréssel, az 5. ábra a találmány egy további kiviteli alakjának metszete és a 6. ábra egy ismert félvezető erőmérő cella metszete. A találmány részletes ismertetése előtt a 6. ábrán látható metszet alapján egy tipikus ismert erőmérő cellát írunk le. Amint az ábrán látható, a hagyományos erőmérő cella egy n-típusú szilíciumból készült 2 diafragmát tartalmaz, amely az 1 alapon van elhelyezve. A 2 diafragma egy vékony süllyesztett 3 résszel rendelkezik, amelyen p-típusú 4 piezoellenállások vannak kialakítva. A 4 piezoellenállásokhoz csatlakozó vezetékek (nincsenek feltüntetve) az 5 nyíláson át vannak kivezetve. A 6 tüske a 2 diafragma felett van elhelyezve, annak központi részén, az erő átvitele céljából. Amikor a 6 tüske lenyomja a 2 diafragmát, a 2 diafragma vékony területe lefelé deformálódik, és ennek következtében változik a 4 piezoellenállások ellenállásértéke. Az alkalmazott erő nagysága a 4 piezoellenállások változásából meghatározható. Bár az erőérzékelő egyszerű felépítésű, az érzékelő mégis könnyen megsérül vagy tönkremegy, ha különösen nagy erő hat rá, de az ismételt használat során is tekintettel arra, hogy a szilícium-diafragma vékony részét a merev tüske nyomja. Emelett, ha a központi rugalmas részt az érzékenység fokozása érdekében igen vékonyra alakítják ki, csökken a mérés pontossága; ebben az összefüggésben érthető, hogy a felső felületet szilikongumival, szilikonolajjal vagy más hasonló anyaggal fedik, úgyhogy az erő a közbenső erőátviteli közegen át hat. Azonban egy ilyen elrendezésnél csökken a mérési pontosság a közbenső közeg jelenléte miatt, nem beszélve arról, hogy bonyolultabbá válik a készülék felépítése. Ezenkívül, ha a közbenső közeg a hosszú használat folyamán megkeményedik, a diafragma állandóan egy erőnek van kitéve, aminek következtében nemcsak az élettartam csökken, hanem a mérési pontosság is. A találmánnyal olyan erőmérő cellát kívánunk létrehozni, amely kiküszöböli az ismert mérőcella hátrányait. A találmányt először a 1/a ábra alapján ismertetjük, amely az erőmérő cella egyik kiviteli alakját mutatja. A 10 diafragmát egy n-típusú egykristályos szilíciumlemezből alakítjuk ki, amely a sík 30 csatlakozó felülettel rendelkezik, amely magában foglal egy központi, első 11 nyúlványt, egy vékony rugalmas 14 kapcsolóelemet, az első 11 nyúlvány külső kerülete mentén és peremként kiképzett második 15 nyúlványt, amely vastagabb, mint a 11 nyúlvány, és a 14 kapcsoló elem körül helyezkedik el. Az első 11 nyúlvány egyik felülete — amely a kiviteli példában a 30 csatlakozó felület egy részével egyezik meg — képezi a félvezető 10 diafragma egyik csatlakozó felületét míg a második 15 nyúlványnak az első 11 nyúlvány csatlakozó felületével ellentétes oldala képezi a 10 diafragma második csatlakozó felületét. A 10 diafragma felülnézetét vázlatosan mutatja be az 1/b ábra. A félvezető 10 diafragma 30 csatlakozó felülete a 110 síkban helyezkedik el. Az p-típusú 12 és 13 piezoellenállások a rugalmas 14 kapcsolóelemen a 111 irányban helyezkednek el. Bár négy csoportot tüntettünk fel, amelyek mindegyike négy 12, 13 piezoellenállást tartalmaz, csak a 12 és 13 piezoellenállások egyik csoportját használjuk fel egy hídáramkör kialakításához. Az 1/b ábrán látható félvezető 10 diafragma részleteit pl a már említett 227 023 sorszámú Amerikai Egyesült Államok-beli szabadalmi bejelentés írja le. A félvezető 10 diafragma egy 100 szilíciumlemezből is kialakítható, a 111 irányban elhelyezkedő ellenállásokkal. A félvezető 10 diafragma különböző alakú és méretű lehet a felhasználási területtől függően, és a megfelelő megmunkálási vagy maratási folyamatokkal aiakitható ki. Például a félvezető 10 diafragma 4,5 milliméter átmérőjű, a 15 nyúlvány 300 pm vastagságú lehet, a 11 nyúlvány 280 pm vastagságú és a nyúlásnak kitett rugalmas 14 kapcsolóelem körülbelül 50 pm vastag és 0,5 mm széles. A gyűrű alakú vékony rugalmas 14 kapcsolóelem belső átmérője előnyösen legalább 75 százaléka a külső átmérőnek. A rugalmas 14 kapcsolóelem méreteit célszerűen a mérendő erőtartománynak megfelelően kell megválasztani. Nem szükséges, hogy a félvezető 10 diafragma fizikailag elválassza vagy szigetelje a két oldalán elhelyezkedő tereket. Ennek megfelelően a rugalmas 14 kapcsolóelemnek nem kell feltétlenül teljesen körülvennie az első 11 nyúlvány külső kerületét, hanem elég, ha csak részben veszi körül a központi első 11 nyúlványt, ahogy az a 2/a és 2/b ábrán látható. Még pontosabban a 2/a ábrán feltüntetett 10 diafragma esetében a központban elhelyezett első 11 nyúlványt és a második 15 nyúlványt négy rugalmas 14 kapcsolóelem köti össze. A 2/b ábrán látható 10 diafragmánál az első 11 nyúlványt két rugalmas 14 kapcsolóelem köti össze a második 15 nyúlvánnyal. Az átmenő nyílások vagy bemélyítések által képzett 35 közbenső tartomány jelenléte miatt a 2/a és 2/b ábrán feltüntetett 10 diafragmák rugalmas 14 kapcsolóelemének felülete ennek megfelelően csökken, aminek következtében egy adott terhelésnél jelentősen megnő a nyúlás. így nagy érzékenység érhető el anélkül, hogy nagymértékben csökkenni kellene a rugalmas 14 kapcsolóelem vastagságának. Ebben az összefüggésben meg kell jegyezni, hagy egy vagy több ilyen átmenő nyílással vagy bemélyített 35 közbenső tartománnyal rendelkező membrán is diafragmának nevezhető. A 10 diafragmát egyetlen félvezető test vagy lemez alkotja. A félvezető 10 diafragma (1/a ábra) a borszilikát üvegből, például a Corning Glass Works által gyártott Pyrex üvegből kialakított második 16 betételemen van e helyezve, és egy központi 23 furattal rendelkezik. Az üvegből készült 16 betételem külső átmérője lényegében egyenlő a félvezető 10 diafragma átmérőjével és egy sík felületet alkot. A félvezető 10 diafragma első 11 nyúlványát a 16 betételem felső felületétől csak egy kis távolság választja el, amely egyenlő az első II nyúlvány és a második 15 nyúlvány vastagsága közötti különbséggel, és amely lehetővé teszi a félvezető 10 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
