DD241782A1

DD241782A1 - Siliziumdruckwandler

Info

Publication number: DD241782A1
Application number: DD28164385A
Authority: DD
Inventors: Frank Loeffler; Bertram Ruppin
Original assignee: Geraete & Regler Werke Veb
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1986-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Siliziumdruckwandler mit zusaetzlichen Widerstandsbahnen auf dem massiven Randbereich zur Kompensation des statischen Druckeinflusses. Aufgabengemaess soll durch eine geeignete Anordnung dieser Widerstandsbahnen ein groesseres verwertbares Signal erzeugt werden als das mit den bekannten Anordnungen bisher moeglich ist. Geloest wird diese Aufgabe dadurch, dass jeweils zwei der zusaetzlichen Widerstandsbahnen in verschiedenen Kristallrichtungen ausgerichtet sind. So sind bei einer (100) Siliziumscheibe zwei Widerstaende in (100) bzw. (110) Richtung und zwei Widerstaende in (100) bzw. (010) Richtung ausgerichtet, wobei die erst genannten eine starke Abhaengigkeit und die letztgenannten eine schwache Abhaengigkeit vom statischen Druck aufweisen. Diese vier Widerstaende sind zu einer Wheatstonschen Bruecke geschaltet, so dass man ein Ausgangssignal erhaelt, das naeherungsweise dem einer idealen Halbbruecke entspricht und einer geeigneten elektronischen Kompensationsschaltung zugefuehrt werden kann.

Description

Bei einem Siliziumchip mit einer Flächennormale in [100] Richtung wurde durch die Erfinder festgestellt, daß Widerstandsbahnen auf dem nichtabgedünnten Rand des Siliziumchips, die mit ihrer Längsachse in der [110] oder [110] Richtung ausgerichtet sind, eine starke Abhängigkeit von statischem Druck aufweisen, während solche Widerstände, die mit ihrer Längsachse in [100] oder [010] Richtung ausgerichtet sind, eine wesentlich geringere Abhängigkeit vom statischen Druck zeigen. Dieses Verhalten ist überraschend, da nach theoretischen Einschätzungen ein derartig unterschiedliches Verhalten nicht zu erwarten ist. Ausgehend von den genannten Eigenschaften sind nach einer günstigen Ausführung der Erfindung je zwei Widerstände mit starker bzw. schwacher Abhängigkeit von statischem Druck dicht benachbart auf dem Randbereich des Chip angeordnet und auf dem Siliziumchip zu einer Vollbrücke verschaltet. Nach einer weiteren Ausführungsform sind auf dem Randbereich des Chip je zwei Widerstände mit starker bzw. schwacher Abhängigkeit vom statischen Druck dicht benachbart angeordnet und auf dem Chip zu zwei Halbbrücken verbunden.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Figur 1: eine kreisförmige Biegeplatte mit zusätzlichen Widerstandsbahnen in Form einer geschlossenen Vollbrücke auf dem festen Rand der Einspannung.

Figur 2: eine kreisförmige Biegeplatte mit zusätzlichen Widerstandsbahnen in Form zweier Halbbrücken Figur 3: elektrische Schaltung der zusätzlichen Widerstandsbahnen

Die Figur 1 und 2 zeigen das vereinzelte Siliziumchip 1, daß einen als Biegeplatte 3 ausgebildeten zentralen, abgedünnten Bereich und einen als Einspannung für die Biegeplatte 3 wirkenden massiven Randbereich 2 aufweist. Wenn auch in diesem Beispiel ein Chip mit quadratischer Grundfläche verwendet wird, so sind auch andere geometrische Formen, wie z. B. Kreisform, möglich.

Der Siliziumchip 1 wurde aus einem Siliziummaterial mit der Orientierung (100) gefertigt. Innerhalb der Gebiete 4 sind die druckempfindlichen Widerstandsbahnen integriert, die üblicherweise in radialer und tangentialer Richtung mit ihrer Längsachse ausgerichtet sind. Die Anordnung der druckempfindlichen Widerstände, die nicht Gegenstand vorliegender Erfindung ist, ist nicht dargestellt. Als ein mögliches Beispiel wird auf das DD-WP 207784 des Anmelders verwiesen.

Beim Einsatz derartiger Drucksensoren in Differenzdruckmeßumformern ist es insbesondere bei hohen j

Genauigkeitsanforderungen erforderlich, die unerwünschte Abhängigkeit des Ausgangssignals der Meßbrücke vom j

statischen Druck zu kompensieren. Das erfolgt üblicherweise in der sich anschließenden Elektronikschaltung für die dazu ein geeignetes Signal zur Verfügung gestellt werden muß. ' j

Die Erzeugung dieses Signals wird durch die zusätzlichen auf dem massiven Rand 2 angeordneten Widerstandsbahnen · 5,6,7,8 erzeugt, die erfindungsgemäß in unterschiedlichen Kristallrichtungen ausgerichtet sind. Experimentell wurde gefunden, daß der Einfluß des statischen Druckes auf die Widerstandsänderung auch von der Ausrichtung der \

Widerstandsbahnen beeinflußt wird. So weisen die Widerstände 5 und 7, die in den Kristallrichtungen [110] bzw. [110] | ausgerichtet sind, eine wesentlich größere Abhängigkeit vom statischen Druck auf als die Widerstände 6 und 8, die in i

den Kristallrichtungen [100] bzw. [010] ausgerichtet sind. Es wurde festgestellt, daß die Widerstände 5 und 7 eine definierte starke Abhängigkeit vom statischen Druck aufweisen und die Abhängigkeit der Widerstände 6 und 8 vom statischen Druck nahezu Null ist.

Wie aus Figur 3 zu entnehmen ist, sind die Widerstände 5,6,7 und 8 zu einer Wheatstonschen Brücke verschaltet, die sowohl mit Konstantstrom i₀ oder auch mittels Konstantspannung U₀ gespeist werden kann. Die Verwendung der Brückenschaltung bietet den Vorteil, daß die Temperaturabhängigkeit der Widerstände in hohem Maße kompensiert werden kann. Dabei kann die Brückenschaltung, wie Figur 1 zeigt, bereits auf dem Chip realisiert sein, mit dem Vorteil, daß alle vier Widerstände dicht benachbart und damit im wesentlichen der gleichen Temperatur ausgesetzt sind. Es ist aber auch möglich, wie Figur 2 zeigt, jeweils zwei Halbbrücken auf dem massiven Rand 2 anzuordnen, die dann extern zur Vollbrücke verschaltet werden.

Durch die Anordnung von zwei Widerständen, deren Widerstandswert eine starke Abhängigkeit vom statischen Druck besitzt und zwei Widerständen, deren Widerstandswert nur eine geringe Abhängigkeit vom statischen Druck besitzt, erhält man näherungsweise ein Ausgangssignal, daß dem einer idealen Halbbrücke entspricht und damit erheblich größer ist als bei der eingangs beschriebenen bekannten Lösung.

Claims

Patentansprüche:

1. Siliziumdruckwandler für Differenzdrucktransmitter mit einem als druckempfindliche Membran ausgebildeten abgedünnten zentralen Bereich und einem massiven als Membraneinspeisung dienenden Randbereich, wobei in dem zentralen Bereich druckempfindliche piezoresistive Widerstände zur Erfassung der über der Membran liegenden Druckdifferenz integriert sind und wobei in dem Randbereich weitere piezoresistive Widerstände integriert sind, die gegenüber der zu messenden Druckdifferenz unempfindlich sind aber ihren Widerstandswert in Abhängigkeit von dem statischen Druck verändern, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Randbereich (2) mindestens zwei Widerstände integriert und so ausgerichtet sind, daß ein Widerstand eine starke Abhängigkeit vom statischen Druck aufweist, während der andere Widerstand nur eine geringe Abhängigkeit vom statischen Druck besitzt.
2. Siliziumdruckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Randbereich (2) je zwei Widerstände mit starker (5,7) bzw. schwacher (6,8) Abhängigkeit vom statischen Druck dicht benachbart angeordnet sind, die auf dem Siliziumchip (1) zu einer Vollbrücke verschaltet sind.
3. Siliziumdruckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Randbereich (2) je zwei Widerstände mit starker (5,7) bzw. schwacher (6,8) Abhängigkeit vom statischen Druck angeordnet sind, die auf dem Chip (1) zu zwei Halbbrücken verschaltet sind.
4. Siliziumdruckwandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip (1) eine Flächennormale in [100] Richtung aufweist, daß die Widerstandsbahnen auf der Siliziummembran (3) zur Messung des Differenzdruckes in [100] bzw.ino] Richtung liegen, daß die Widerstandsbahnen auf dem Randbereich (2), die eine starke Abhängigkeit vom statischen Druck aufweisen, in der [110] oder [110] Richtung ausgerichtet sind und daß die Widerstandsbahnen auf dem Randbereich, die eine geringe Abhängigkeit vom statischen Druck aufweisen, in der [100] oder [010] Richtung ausgerichtet sind.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung zusätzlicher integrierter Meßelemente zur Fehlerkompensation des statischen Druckeinflusses bei integrierten piezoresistiven Siliziumdruckwandlern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Herstellung von Druckmeßgerätert-werden in bekannter Weise integrierte piezoresistive Widerstände in Silizium-Verformungskörpern eingesetzt, wobei durch Dotierung des n- bzw. p-leitenden Ausgangsmaterials p- bzw. n-leitende Widerstandsbahnen geschaffen werden. Die Anordnung der Widerstandsbahnen wird in Abhängigkeit von der Verteilung der mechanischen Spannung auf dem Verformungskörper sowie bei Benutzung von Kristallorientierungen des Ausgangsmaterials mit anisotropen Eigenschaften bezüglich des piezoresistiven Effektes in Abhängigkeit von der Kristallrichtung gewählt. Werden Druckmeßgeräte mit piezoresistiven Meßelementen zur Differenzdurckmessung bei einem Umgebungsdruck (statischer Druck) größer Null eingesetzt, wird das Ausgangssignal der Meßbrücke von dem anliegenden Meßdruck bestimmt. Gleichzeitig tritt eine unerwünschte Abhängigkeit der Brückenausgangsspannung vom statischen Druck ein. Dieser Fehler wird allgemein als statischer Druck ein. Dieser Fehler wird allgemein als statischer Druckeinfluß bezeichnet. Aus der EPA 0083496 ist bekannt, durch zusätzliche Widerstandsbahnen den statischen Druck zu messen und das Ausgangssignal in der nachfolgenden elektronischen Auswerteschaltung zur Fehlerkompensation heranzuziehen. Dabei sind die zusätzlichen Widerstandsbahnen, deren elektrischer Wert unabhängig vom anliegenden Meßdruck ist, auf dem festen Rand einer kreisförmigen Biegeplatte und in Kristallrichtung der im Bereich der ab gedünnten Biegeplatte liegenden Widerstandsbahnen angeordnet. Die zusätzlichen Widerstandsbahnen sind außerhalb des Siliziurhkörpers zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet. Alle 4 Widerstände der Vollbrückenschaltung besitzen eine nahezu gleichgroße Widerstandsänderung hinsichtlich Größe und Richtung. Damit erhält man nur ein sehr kleines Brückenausgangssignal der zusätzlichen Widerstandsbahnen als Funktion des statischen Druckes.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Siliziumdruckwandler mit zusätzlichen Widerstandsbahnen für die Erzeugung eines Signals für die elektrische Kompensation des statischen Druckeinflusses zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und ein deutlich größeres Signal für die Fehlerkompensation bereitstellt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem piezoresistiven Drucksensor zusätzliche Widerstandsbahnen auf dem nichtabgedünnten Randbereich so anzuordnen, daß ein elektrisches Signal hoher Empfindlichkeit für die Kompensation des statischen Druckeinflusses zur Verfügung gestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf dem nichtabgedünnten Randbereich des Siliziumchips mindestens zwei Widerstandsbahnen so angeordnet sind, daß der eine Widerstand eine starke Abhängigkeit vom statischen Druck aufweist, während der andere Widerstand nur eine geringe Abhängigkeit vom statischen Druck besitzt.