DD267107A1 - Drucksensor fuer kleine nenndruecke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Drucksensor fuer kleine Nenndruecke bei dem aufgabengemaess die Lage der elektrischen Funktionselemente bei gleichbleibenden Empfindlichkeits- und Linearitaetsfehlerwerten nicht durch den Nenndruckbereich beeinflusst wird. Das wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass der Verformungskoerper sowohl an seinem aeusseren als auch an seinem inneren Randbereich von einem aeusseren bzw. inneren dicken Einspannrahmen monolithisch fest eingespannt ist und dass der Verformungskoerper ein geschlossenes biegesteifes Zentrum aufweist, dass diesen in einen inneren und einen aeusseren Verformungskoerper unterteilt. Ausserhalb des biegesteifen Zentrums sind in dem Verformungskoerper, vorzugsweise dem inneren, piezoresistive Widerstaende integriert. Vorzugsweise weist der aeussere bzw. innere Randbereich des Verformungskoerpers sowie der Aussen- und Innenwand des biegesteifen Zentrums die geometrische Form eines Kreises oder Polygons auf. Der Verformungskoerper kann als Biegeplatte ausgebildet sein oder aus einer Anzahl von Biegefedern bestehen, die monolithisch mit dem aeusseren bzw. inneren Einspannrahmen und dem biegesteifen Zentrum verbunden sind.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet dar Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Drücken in Gasen und Fluiden, insbesondere für kleine Druckbereiche.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Piozoresistive Drucksensoren auf Siliziumbasis verwenden Verformungskörper, die innerhalb eines Halbleitersubstratos lokal durch mikromechanische Verfahren, meist naßchemische Ätztechniken, abgedünnt wurden. Diest Verformungskörper sind damit innerhalb des Siliziumsubstrates fest eingespannt und besitzen zumeist Kreis-, Quadrat· oc'er Rechteckform. Von ihrer mechanischen Wirkungsweise stellen sie ßiegeplatten dar, wobei c er Anteil von Scherspannungen gegenüber dem der Biegespannung, ι vernachläcsigbar ist. Die infolge des Meßdruckes in der ausgelenkten Biegeplatte erzeugten mechanischen Spannungen werden mittels piezoresistiver Widerstände in ein elektrisches Ausgangssignal umgeformt. Für kleine Druckmeßbereiche nimmt die Empfindlichkeit der Plattenaufnehmer mit der Wurzel des Nenndruckes ab (J. BINDER u. a.: Silicon Pressure sensors for the 2kPa to 40MPa Range. Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichto 13 [1984)6,294-302), so daß für Bereiche kleiner als (1O...5O)kPa im allgemeinem modifizierte Verformungskörperformen vorwendet werden. Weiteste Verbreitung haben dabei Biegeplatten mit biegesteifem Zentrum (Nenndruckbereiche unterhalb (1O...5O)kPa) und aus Biegeplatten erzeugte Biegefodern mit einem biegesteifen Zentrum und einer dünnen Membran zur Druckabdichtung (Nenndruckbereichi) unterhalb IkPa) gefunden (J. BINDER u.a.: Y. MATSUOKA u.a.: Differential Pressure/Pressure Transmitters Applied with Semiconductor Sensors. IEEE Transactions on lndustrieal Electronics IE-33 [1986)2,152-157). Die piezorosictiven Widerstände befindon sich im allgemeinen auf dem Vei formiingskörper, seltener in der Nähe des Randes dos Verformungskörpers (vgl. OS-DE 3.538.463, US 4.400.681, US 4.511.878).

Die Empfindlichkeit AR/R der Aufnehmer mit biegesteifem Zentrum nimmt dabei, im Unterschied zu Plattenaufnehmorn, näherungsweise mit dem Quadrat aus dem Produkt von Nenndruck P_n und dom 'erhältnis der lateralen Abmessungen des biegesteifen Zentrums (z. B. Radius des kreisförmigen Zentrums R) und der Breite des ringförmigen Verfc rmungskörpers (z. B. Breite b) für einen konstant vorausgesetzten Linearitätsfehler ab:

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Für abnehmende Nenndruckbereiche wird deshalb Im allgemeinen dia Abmessung des biegesteifen Zentrums vergrößert, um bei gleichem Linearitätsfehler eine hinreichend große Empfindlichkeit zu erzielen (vgl. dazu J.BINDER u.a.: siehe oben). Damit ändert sich auch die Lage dor Widerstände für das jeweilige Chip. Damit steigt der technologische Aufwand mit der Zahl der zu realisierenden Nenndruckbereiche.

ZIoI der Erfindung

Das Ziel der Erfindung bostoht in der Verringerung dos technologischen Aufwandes bei der Realisierung einos Typensortimonts von Druckaufnehmorn für ein Spektrum kleiner Nonndruckberoiche.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, oine Anordnung einos Drucksensors für kleine Nenndruckbereiche anzugeben, bei dem die Lage dor elektrischen Funktionselemente bei gleichbleibenden Empfindlichkeit»- und Linoaritätsfehlorwerten nicht durch den Nenndruckbereich beeinflußt wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verformungskörpor, der an seinem äußeren Randbereich von einem als äußerer Einspannrohmon dienenden dickon Halbleitersubstrat monolithisch fest eingespannt ist, auch an seinem inneren Randberoich von oinom inneren Einspannrahmen monolithisch fest eingespannt ist und daß der Verfoimungskörpor ein geschlossenes biegesteifes Zentrum aufweist, daß diosen in einen inneron und äußeren Verformunyskörperbereich, nachfolgend als äußerer und innerer Verformungskörpor bezeichnet, unteneilt. Außerhalb des biegpsteifen Zontrums sind nuf oder in dom Verformungskörper, vorzugsweise in dom inneren Verformungskörper, piezorosistivo Widerstände integriert.

In bevo: ;ugter Weiterbildung der Erfindung weist der äußere Rand des äußeren Verformungskörpers und der innere Rand dos inneren Vorformungskörpers sowie der Außen- und Innenrand des biegesteifen Zentrums die geometrische Form einos Kreisos oder Polygons, wie Quadrat, Rechteck und dergleichen auf, woboi bei oinom Polygon die Ecken abgerundet sein könnon. Der Verformungskörper ist nach oinor ersten Ausführungsform als Biegeplatte ausgebildet.

Dagegen besteht der innere und äußere Verformungskörper nach einer zwoiton Ausführungsform aus einer Anzahl von Biogofeldorn, die monolithisch fest mit dom äußeren bzw. inneren Einspannrahmen und dem biegesteifen Zentrum verbunden sind und die die Nachgiebigkeit bestimmen, mit der das biegesteife Zentrum durch den Meßdruck ausgelenkt wird. Der Raum zwischen dem äußeren bzw. inneren Einspannrand, dem biegostoifen Zentrum un'l den Bienefedern ist mittels sehr dünner vorzugsweise monolithischer Druckabdichtungsmembranen gegen Druck abgedichtet.

Die Lage der Widerstandsanordnung im inneren Verformungskörper relativ zur Symmetrieachse des Sensors ist für alle Nenndruckbereiche gleich. Vorteilhafterweise erfolgt die Einstellung dos Nenndruckbereichos durch die Abmessungen des biegosteifon Zentrums und des äußeren Verformungskörpers, die keinerlei elektrische Funktionselemente, von Leitbahnen, die die Widerstandsstruktur mit dom äußeren Einspannrahmen verbinden, abgesehen, enthalten. Der innere und äußere Varformungskörper könnon gleiche Dicken aufweisen, was herstellungsmäßig günstig ist. Die Nachgiebigkoiten des äußeren und inneren Verformungskörpers sind vorzugsweise gleich, um Torsionsbewegungen des biogosteifen Zontrums zu verhindern. Das läßt sich realisieren, indem bei gleichen Dicken der äußere Verformungskörper breiter gestaltet ist als dor innere. Bei kreisförmiger Anordnung dor beiden Vorformungskörporboreiche und des biegesteifen Zentrums müssen sich die Ringbroiten b annähernd im Verhältnis

bfinneiei Kceliiingl R(iinaigt Kieliilng)

befinden, woboi R der Radius der jeweiligen Kreisringmitte ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden. Dabei zeigen

Figur 1 die Teilansicht und

Figur 2 das Schnittbild eines erfindungsgomäß ausgeführten Drucksensors,

Figur 3 einen erfindungsgemäß ausgeführten Sensor mit unterschiedlichen Dicken der Vorformungskörperberoiche, Figur 4 den in Fig. 1 dargestellten Drucksensor unter Druckoinwirkung,

Figur O und Figur 6 andere Beispiele für erfindungsgemäß ausgeführte Drucksensoron.

Gemäß Fig. 1 besteht dor orfindungsgemäß ausgeführte Drucksensor monolithisch aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, und weist folgende Bestandteile auf:

— oinon äußeren ringförmigen Verformungskörper 1,

— einen inneren ringförmigen Verformungskörper 2,

— ein ringförmiges biegesteifes Zentrum 3,

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— einen innerhalb des inneren ringförmigen Verformungskörpers 2 gelegenon inneren Einspannrahmon 4,

— einen ringförmigen äußeren Einspennrahmen 5 sowio

— piezoresistive Widerstände 6.

Im Ausführungsbeispiol gomäß Fig. 1 sind der innere und äußere Verformungskörpor 1 und 2 kreisförmige Siegeplatten. Damit weisen biegesteifes Zentrum 3, innerer Einspannrahmer. 4 und äußerer Einspannrahrnen 5 Kreisring- bzw. Kreisform auf. Die piezoresistiven Widerstände 6 bofinden sich innerhalb oder auf dem inneren Vorformungskörpor 2 und sind über elektronische Schaltungsteile, z. B. elektrische Leitbahnen 7 mit Kontaktflächen 8 auf dom äußeren Einspannrahmen 5 oder dem inneren Einspannrahmon 4 verbunden (Fig. 2). Kreisringförmige Verformungskörper 1 und 2 bositzon gemäß Pig, 2 als goometrischo Abmessungen die Verformungskörperdicke h» bzw. hi, die Kreisringbreite b₄ bzw. b| und den Mittenradius R₄ bzw. Ri, wobei der Index a den äußeren Verformungskörper 1 und der Index i den inneren Vorformungskörper 2 bezeichnen. Die Abmessungen sind vorzugsweise so dimonsioniert, daß die Nachgiebigkeiten der beiden Verformungskörper gleich groß sind. Herstellungstechnologisch sind gleiche Dicken h₄ und It₁ vorteilhaft. Das Verhältnis H₄/R; wird durch den Nenndruckbereich bestimmt, wobei kleine Worte für R, hinsichtlich geringen Platzbodarfes angestrebt werden. Die Breite bi des inneren Verformungskörpers 2 ist obenfalls aus Platzgründen entsprechend der technologischen Randbedingungen der Sensorherstellung klein gegenüber den anderen Lateralen Abmessungen dimensioniert. Die Breite b, des äußeren Verformungskörpers 1 ist so dimensioniert, daß die Gleichheit der Nachgiebigkeiten der kreistinn,förmigen Verformungskörper 1 und 2 gegeben ist. Unter der Voraussetzung R· ϊ> b| ist damit

R, Für unterschiedliche Dicken der beiden Verformungsko^roer 1 und 2 gemäß Fig. 3 ist damit

_bi.

i h,

Ein erfindungsgemäßer Drucksensor für aen Nenndruckboreich 5 kPa weist für Plattendickon der Vorformungskörpor 1 und 2 von 15μηι, Mittenradien Riund R₍ von 1 5COMm bzw. 4000pm und Kreisringbreiten b_f und b₄ von 500μηι bzw. 700Mm Vollbrückenausgangsspannungon AR/R = 5mV/V und einen maximalen LinearitätsfohlerFt ^ (0,2...0,5)%auf. Eine Vergrößerung bzw. Verringerung dos Nenndruckbereiches bei Beibehaltung der Werte für AR/R und Fl wird durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Radius R₄ des äußeren Verformungskörpors 1 erreicht. Dazu ist eine Änderung Jos inneren Verformungskörpers 2 bzw. der Lage d9i auf ihm befindlichen piezorusistiven Widerstände notwendig. Fig. 5 zeigt einen erfindur isgemäßen Drucksensor, dessen Verformungskürper 1 und 2, biogesteifas Zentrum 3, innerer Einspannrnhmen 4 und äußerer Einspannrahmen 5 eine Quadrat- oder Rechteckform zugrunde gelogt ist. Zur Vermeidung von Spannungskonzentrationon in den Ecken der Verformun<,skurpor können sowohl die konkaven Ecken 9 als auch die konvexen Ecken 10 abgerundet sein. Das erfolgt bei anisotropen naßchemischen Ätzprozossen an konkaven Ecken 9 durch eine modifizierte nicht rechtwinklige Ätzmaskengostaltung, bei konvexen Ecken 10 an rechtwinkligen Ätzmaskenecken durch Unterätzungen.

Fig.6 zeigt einen erfindungsgemäß ausgeführton Drucksensor mit modifizierter Verformungskörpergostalt. Statt der Verformungskörper 1 und 2 gemäß Fig. 1 ist das biegesteife Zentrum 3 zwischen einor Anzahl von Biegefeder!) 11 bzw. 12 eingespannt, die die Nachgiebigkeit bestimmen, mit der das blegostoifo Zentrum durch den Meßdruck ausgelenkt wird. Dor Raum zwischen dem Einspannrahmen 5, dem Einspannzentrum 3 und den Biegefedern 11 und 12 wird durch sehr dünne, vorzugsweise monolithische Membranen 13 gegen Druck abgedichtet.

Claims (6)

1. Piezoresistiver Drucksensor für kleine Nenndrücke,bestehend aus einem Verformungskörper und einem als Einspannrahmen dienenden dicken Substrat aus einem Halbleitermaterial, wobei der äußere Rand des Verformungskörpeic von einem äußeren Einspannrahmen monolithisch fest eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Einspannrahmen (4) vorgesehen ist, der dan Vorformungskörper an einem innvren Randboreich monolithisch fpst einspannt, dai?> der Verformungskörper ein geschlossenes biegesteifes Zentrum (3) aufweist, das den Verformungskörper in einem inneren Teil (2) und einen äußeren Teil (1} unterteilt und daß außerhalb des biegesteifen Zentrums (3) auf oder in dem Verformungskörprr pieioresistive Widerstände (6) angeordnet sind.

2. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dar äußere Rand des äußeren Verformungskörpers (1) und der innere Rand des inneren Verformungskörpers (2) sowie der Außen- und Innenrand des biegesteifen Zentrums (3) die geometrische Form eines Kreises oder Polygons, wie Quadrat, Rechteck und dergleichen, aufweisen, wobei bei einem Polygon die Ecken abgerundet sein können.

3. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und äußere Verformungskörper (1,2) eine Biegeplatte ist.

4. Pie.zoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und äußere Verformungskörper durch eine Anzahl von Biegefedern (11,12) gebildet ist, die monolithisch fest mit dem äußeren bzw. inneren Einspannrahmen (5,4) und dem biegesteifen Zentrum (3) verbunden sind und daß der Raum zwischen dem äußeren bzw. inneren Einspannrahmen (5,4), dem biegesteifen Zentrum (3) und den Biogefedern (11,12) mittels Druckabdichtungsmembranen (13) abgedichtet ist.

5. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabdichtungsmembranen (13) monolithisch mit den Biegofedern (11,12) dem äußeren bzw. inneren Einspannrahmen (5,4) und dem biegesteifen Zentrum (3) verbunden sind.

6. Piezoresistiver Drucksensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistiven Widerstände (6) auf oder im inneren Verformungskörper (2,12) integriert r^!nd.