DD241782A1

DD241782A1 - SILICON PRESSURE CONVERTER

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.The invention relates to a silicon pressure transducer with additional resistance paths on the massive edge region for the compensation of the static pressure influence. Taskgemaess to be generated by a suitable arrangement of these resistance paths a larger usable signal than is possible with the known arrangements so far. This task is solved in that in each case two of the additional resistance paths are aligned in different crystal directions. Thus, in one (100) silicon wafer two resistors in (100) and (110) direction and two resistors in (100) and (010) direction are aligned, the former a strong dependence and the latter a weak dependence on the static Have pressure. These four resistors are connected to a Wheatstone bridge so that one obtains an output signal that approximates that of an ideal half-bridge and can be fed to a suitable electronic compensation circuit.

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.In a silicon chip with a surface normal in the [100] direction, it has been found by the inventors that resistance paths on the non-thinned edge of the silicon chip aligned with its longitudinal axis in the [110] or [110] direction have a strong dependence on static pressure while such resistors, which are aligned with their longitudinal axis in [100] or [010] direction, show a much lower dependence on the static pressure. This behavior is surprising, since according to theoretical estimates such a different behavior is not to be expected. Based on the above properties, according to a favorable embodiment of the invention, two resistors with strong or weak dependence on static pressure are arranged closely adjacent to each other on the edge region of the chip and interconnected on the silicon chip to form a full bridge. According to a further embodiment, two resistors with strong or weak dependence on the static pressure are arranged closely adjacent to each other on the edge region of the chip and are connected on the chip to form two half-bridges.

embodiment

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung nachstehend näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:Reference to an exemplary embodiment, the invention will be explained in more detail below. The accompanying drawings show:

Figur 1: eine kreisförmige Biegeplatte mit zusätzlichen Widerstandsbahnen in Form einer geschlossenen Vollbrücke auf dem festen Rand der Einspannung.Figure 1: a circular bending plate with additional resistance paths in the form of a closed full bridge on the fixed edge of the clamping.

Figur 2: eine kreisförmige Biegeplatte mit zusätzlichen Widerstandsbahnen in Form zweier Halbbrücken Figur 3: elektrische Schaltung der zusätzlichen WiderstandsbahnenFigure 2: a circular bending plate with additional resistance paths in the form of two half-bridges Figure 3: electrical circuit of the additional resistance paths

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.FIGS. 1 and 2 show the singulated silicon chip 1, which has a central, thinned region designed as a bending plate 3 and a solid edge region 2 acting as a clamping for the bending plate 3. Although in this example, a square base chip is used, so are other geometric shapes, such. B. circular shape, possible.

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.The silicon chip 1 was made of a silicon material having the orientation (100). Within the regions 4, the pressure-sensitive resistance paths are integrated, which are usually aligned in the radial and tangential direction with its longitudinal axis. The arrangement of the pressure-sensitive resistors, which is not the subject of the present invention is not shown. As a possible example reference is made to DD-WP 207784 of the applicant.

Beim Einsatz derartiger Drucksensoren in Differenzdruckmeßumformern ist es insbesondere bei hohen jWhen using such pressure sensors in Differenzdruckmeßumformern it is especially at high j

Genauigkeitsanforderungen erforderlich, die unerwünschte Abhängigkeit des Ausgangssignals der Meßbrücke vom jAccuracy requirements required, the unwanted dependence of the output signal of the measuring bridge of j

statischen Druck zu kompensieren. Das erfolgt üblicherweise in der sich anschließenden Elektronikschaltung für die dazu ein geeignetes Signal zur Verfügung gestellt werden muß. ' jto compensate for static pressure. This is usually done in the subsequent electronic circuit for which a suitable signal must be provided. '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 \ The generation of this signal is generated by the additional resistance paths * 5, 6, 7, 8 arranged on the solid edge 2, which are aligned according to the invention in different crystal directions. Experimentally, it was found that the influence of the static pressure on the resistance change on the orientation of the \

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 iResistance tracks is affected. Thus, the resistors 5 and 7, in the crystal directions [110] and [110] | are aligned, a much greater dependence on the static pressure than the resistors 6 and 8, which 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.the crystal directions [100] and [010] are aligned. It has been found that the resistors 5 and 7 have a defined strong dependence on the static pressure and the dependence of the resistances 6 and 8 on the static pressure is almost zero.

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.As can be seen from FIG. 3, the resistors 5, 6, 7 and 8 are connected to form a Wheatstone bridge, which can be supplied both with constant current i ₀ or also with constant voltage U ₀ . The use of the bridge circuit has the advantage that the temperature dependence of the resistors can be compensated to a great extent. In this case, the bridge circuit, as Figure 1 shows, be already implemented on the chip, with the advantage that all four resistors are closely adjacent and thus exposed to substantially the same temperature. But it is also possible, as Figure 2 shows, to arrange two half-bridges on the solid edge 2, which are then connected externally to the full bridge.

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.By the arrangement of two resistors whose resistance value has a strong dependence on the static pressure and two resistors whose resistance value has only a small dependence on the static pressure, one obtains approximately an output signal that corresponds to an ideal half-bridge and thus considerably larger than at the known solution described above.

Claims

claims:

1. A silicon pressure transducer for a differential pressure transmitter with a thinned central region designed as a pressure-sensitive membrane and a solid edge region serving as a membrane feed, wherein pressure-sensitive piezoresistive resistors for detecting the pressure difference across the membrane are integrated in the central region and further piezoresistive resistances are integrated in the peripheral region which are insensitive to the pressure difference to be measured but which change their resistance as a function of the static pressure, characterized in that at least two resistors are integrated on the edge region (2) and oriented in such a way that a resistance has a strong dependence on the static pressure, while the other resistor has little dependence on static pressure.

2. silicon pressure transducer according to claim 1, characterized in that on the edge region (2) each two resistors with strong (5.7) or weak (6.8) depending on the static pressure are arranged closely adjacent, on the silicon chip (1 ) are interconnected to a full bridge.

3. silicon pressure transducer according to claim 1, characterized in that two resistors with strong (5, 7) or weak (6.8) depending on the static pressure are arranged on the edge region (2) on the chip (1) to two half-bridges are interconnected.

4. silicon pressure transducer according to claims 1 to 3, characterized in that the silicon chip (1) has a surface normal in [100] direction that the resistance paths on the silicon membrane (3) for measuring the differential pressure in [100] bzw.ino] direction are that the resistance paths on the edge region (2), which have a strong dependence on the static pressure, in the [110] or [110] direction are aligned and that the resistance paths on the edge region having a low dependence on the static pressure, aligned in the [100] or [010] direction.

For this 1 page drawings

Field of application of the invention

The invention relates to the arrangement of additional integrated measuring elements for error compensation of the static pressure influence in integrated piezoresistive silicon pressure transducers.

Characteristic of the known technical solutions

For the manufacture of pressure measuring devices, integrated piezoresistive resistors in silicon deformation bodies are used in a known manner, whereby p-type or n-type resistance paths are created by doping the n- or p-type starting material. The arrangement of the resistance paths is selected as a function of the distribution of the mechanical stress on the deformation body and when using crystal orientations of the starting material with anisotropic properties with respect to the piezoresistive effect as a function of the crystal direction. If pressure gauges with piezoresistive measuring elements are used for differential pressure measurement at an ambient pressure (static pressure) greater than zero, the output signal of the measuring bridge is determined by the applied measuring pressure. At the same time, an undesired dependence of the bridge output voltage on the static pressure occurs. This error is commonly called static pressure. This error is commonly referred to as static pressure influence. From EPO 0083496 is known to measure by additional resistance paths, the static pressure and to use the output signal in the subsequent electronic evaluation circuit for error compensation. In this case, the additional resistance paths, the electrical value of which is independent of the applied measuring pressure, are arranged on the fixed edge of a circular bending plate and in the crystal direction of the resistance paths lying in the region of the thinned bending plate. The additional resistance paths are interconnected outside of the body to a full bridge. All four resistors of the full bridge circuit have a nearly equal size change in size and direction. This gives only a very small bridge output signal of the additional resistance paths as a function of the static pressure.

Object of the invention

The aim of the invention is to provide a silicon pressure transducer with additional resistance paths for the generation of a signal for the electrical compensation of the static pressure influence, which does not have the aforementioned disadvantages and provides a much larger signal for the error compensation.

Explanation of the essence of the invention

The invention is based on the object with a piezoresistive pressure sensor additional resistance paths on the non-thinned edge region to be arranged so that an electrical signal of high sensitivity for the compensation of the static pressure influence can be provided.

According to the invention, this object is achieved in that on the non-thinned edge region of the silicon chip at least two resistance paths are arranged so that one resistor has a strong dependence on the static pressure, while the other resistor has only a low dependence on the static pressure.