DD291398A5

DD291398A5 - Piezoresistiver drucksensor

Info

Publication number: DD291398A5
Application number: DD89336736A
Authority: DD
Inventors: Gerald Gerlach; Michael Karst; Ralf Zwiebler
Original assignee: ��@��`@��@��`��@��k��
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Drucksensor aus Halbleitermaterial, der zur Vergroeszerung des Einsatzdruckmeszbereiches eine hoehere Anzahl aufloesbarer Schritte des Nenndruckbereiches besitzen soll. Das wird dadurch erreicht, dasz der Drucksensor zwei Druckmembranen fuer unterschiedliche Nenndruecke besitzt, wobei die Druckmembran fuer den kleinen Nenndruck einen verformungssteifen Rahmen enthaelt, dieser Rahmen im Inneren eine zweite, ebene Druckmembran fuer einen groszeren Nenndruckwert, der dem Nenndruckbereich des Sensors entspricht, enthaelt und die Auslenkung des verformungssteifen Rahmens bei Druecken, die gleich oder groeszer dem Nenndruckwert der Druckmembran fuer den kleineren Druckbereich sind, durch einen mit dem Drucksensorchip verbundenen Gegenkoerper begrenzt wird. Beide Druckmembranen enthalten jeweils eine piezoresistive Widerstandsstruktur, die im jeweiligen Nenndruckbereich ein druckabhaengiges elektrisches Ausgangssignal, im allgemeinen eine Ausgangsspannung, liefern. Fig. 1{Druckwandler; Sensor, piezoresistiv; Silizium; Verformungskoerper; Gestaltung; innere Membran; verformungssteifer Rahmen; aeuszere Ringmembran; Meszbereichsumschaltung}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Drücken in Gasen und Fluiden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Druckwandler auf Halbleiterbasis realisieren vorzugsweise ein piezoresistives oder kapazitives Meßprinzip (S. K. CLARK, K.D.WISE: Pressure sensitivity in anisotropically etched thin —diaphragm pressure sensors. IEEE Transactions on Electron Divices ED —26 [1979] 12, S. 1887—1895). Dabei stellt derzeitig noch das piezoresistive Verfahren das dominierende Meßprinzip für Drucksensoren der z. B. Automatisierungstechnik und der biomedizinischen Meßtechnik dar. Bei diesem Meßprinzip werden die infolge der druckbedingten Auslenkung in der Druckmembran hervorgerufenen mechanischen Spannungen bzw. Dehnungen in elektrische Ausgangssignale umgesetzt. Die Druckmembran ist dazu durch lokales Abdünnen eines Halbleitersubstrates, vorzugsweise aus Silizium, erzeugt, so daß sie monolithischer Bestandteil des Drucksensorchips ist (DE'1.621.532, DE 1.953.665, US 3.649.395, EP 0.004.872, EP 0.009.677 u.a.). Übliche Ausführungen von Drucksensoren mit ebenen Druckmembranen weisen Verformungskörper auf, die Rechteck- (z.B. DD 137.166), Quadrat- (z.B. DE 3.538.453, US 4.400.681), Kreis- (z. B. DD 133.714, DE 2.856.708, US 4.439.752) oder eine andere Form (z. B. DD 150.376, DE 3.345.988) besitzen.

Für kleine Nenndruckbereiche wächst für alle Plattenformen der Linearitätsfehler stark an. Das führt dazu, daß bei maximal zulässigem Linearitätsfehler die Empfindlichkeit piezoresistiver Drucksensoren unterhalb einer bestimmten Grenze mit kleiner

werdendem Nenndruck abnimmt (J BINDER u.a . Silicon pressure sensors for the 2 kPa to 40 MPa range Siemens Forschungs und Entwicklungsberichte 13 [1984] 6, S. 294-302) und sich dadurch die endwertbezogenen Fehlerkennwerte proportional zur Empfindlichkeitsverringerung vergrößern. Fur kleine Nenndruckbereiche werden deshalb Drucksensoren besonderer Geometrie des Verformungskorpers verwendet

ι) Drucksensorchips mit biegesteifem Zentrum, deren mechanischer Verformungskorper damit vorrangig eine Quadrat-(US 4 236 137, JP 58-221 135, SU 1 303 857) oder Kreisringmembran (US 3 341 794, US 4 236 137, DE 2 549 001, DE 3 047 619, SU 1 408 263) darstellt,

ti) Drucksensorchips mit zwei biegesteifen Inseln, bei denen der Spalt zwischen beiden Inseln bzw den Inseln und dem Einspannrand als Biegefedern wirken (US 4 065 970, SU 1 404 852),

in) Drucksensorchips mit monolithisch an die Druckmembran gekoppelter Biegefeder (DD 262 307, US 4 570 498, SU 1 210 076)

Die Empfindlichkeit piezoresistiver Drucksensoren wird fur alle Typen bei vergleichsweise großen Druckbereichen durch die Nichtlinearitat des piezoresistiven Effekts begrenzt

Die Genauigkeit piezoresistiver Drucksensoren wird durch die Empfindlichkeit des Wandlers und seiner Eigenstorungen bestimmt Gegenwartig werden die Eigenstorungen piezoresistiver Aufnehmer vorrangig durch Instabilitäten des elektrischen Wandlers innerhalb der Meßkette mechanischer Wandler (Druckplatte) - mechanoelektrischer Wandler (Piezowiderstand) elektrischer Wandler (Wheatstone Brücke) hervorgerufen (F -M SCHMIDT Entwurf und Herstellungstechnologie integrierter Miniaturdrucksensoren mit elektrisch stabilen piezoresistiven Bruckenstrukturen Dissertation A TU Dresden 1988) Eigenstorungen lassensich durch geeignete Maßnahmen verringern (z B DE 3 118 366),jedoch nichtganzlich ausschließen Sie beschranken damit den Druckanwendungsbereich des Aufnehmers, da infolge seines endlichen Wertes und (fur alle Druckmembrangeometrien) nach oben begrenzter Empfindlichkeit der Meßbereich auch nur mit einer endlichen Zahl von Schritten aufgelost werden kann Üblicherweise müssen deshalb fur verschiedene praktische Meßaufgaben jeweils unterschiedliche Drucksensoren verwendet werden, die fur jeweils einen speziellen Nenndruckbereich konzipiert wurden

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Vergrößerung des Einsatzdruckmeßbereiches piezoresistiver Drucksensoren

Darstellung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoresistiven Drucksensor zu schaffen der eine höhere Anzahl auflösbarer Schritte des Nenndruckbereiches besitzt

Die Aufgabe wird erfmdungsgemaß dadurch gelost, daß ein piezoresistiver Drucksensor zwei Druckmembranen fur unterschiedliche Nenndrucke besitzt, wobei die Druckmembran fur den kleinen Nenndruck einen verformungssteifen Rahmen enthalt, dieser Rahmen im Inneren eine zweite, ebene Druckmembran fur einen größeren Nenndruckwert der dem Nenndruckbereich des Drucksensors entspricht, enthalt, und die Auslenkung des verformungssteifen Rahmens bei Drucken die gleich oder großer dem Nenndruckwert der Druckmembran fur den kleineren Druckbereich sind durch einen mit dem Drucksensorchip verbundenen Gegenkorper begrenzt wird

Beide Druckmembranen enthalten jeweils eine piezoresistive Widerstandsstruktur, die im jeweiligen Nenndruckbereich ein druckabhangiges elektrisches Ausgangssignal, im allgemeinen eine Ausgangsspannung, liefern Fur große Drucke im Bereich zwischen dem kleinen und dem großen Nenndruck sind sowohl die äußere als auch die innere Druckmembran ausgelenkt Die innere Druckmembran liefert ein druckproportionales Ausgangssignal Das kleinste meßbare Ausgangssignal dieser piezoresistiven Struktur wird dabei durch die maximale Anzahl auflösbarer Schritte im Nenndruckbereich bestimmt Fur kleine Drucke unterhalb dieser Auflosungsgrenze ist mit dieser Druckmembran keine Meßwertgewinnung möglich Durch die infolge des Gegenkorpers begrenzte Auslenkung des verformungssteifen Rahmens kann die äußere Druckmembran fur den kleinen Druckbereich nicht druckproportional ausgelenkt werden so daß oberhalb des kleinen Nenndruckes eine Überlastung der äußeren Druckmembranen vermieden wird Fur kleine Drucke unterhalb des kleinen Nenndruckes fur die äußere Druckmembran erfolgt eine druckproport ion ale Auslenkung auch der äußeren Druckmembran Da diese Druckmembran eine höhere Empfindlichkeit gegenüber der inneren Druckmembran aufweist, ist in diesen Druckbereichen mit der piezoresistiven Struktur der äußeren Membran eine Meßwertgewinnung möglich Bei annähernd gleicher Anzahl auflösbarer Schritte bei der Membran wird durch die höhere Empfindlichkeit der äußeren Membran eine weitere Verringerung der Auflosungsgrenze erzielt, so daß der komplette Drucksensor bestehend aus äußerer und innerer Druckmembran, eine insgesamt höhere Anzahl auflösbarer Schritte als ein Drucksensor mit nur einer Membran besitzt

Die Auslenkungsbegrenzung des verformungssteifen Rahrrens kann durch bekannte Möglichkeiten der mikromechanischen Formgebung (lokales Abdunnen des Gegenkorpers im Bereich des Rahmens oder Abdunnen des Rahmens selbst) bzw der Fugetechnik des Einspannrandes des Siliziumchips mit dem Gegenkorper (Erzeugung eines Abstandes zwischen verformungssteifem Rahmen und Gegenkorper über die Schichtdicke eines Verbindungsmediums) realisiert werden Der damit erzeugte Abstand zwischen dem verbindungssteifen Medium und dem Gegenkorper muß dabei gleich der Auslenkung ζ (p_N)) des Rahmens bei dem kleineren der beiden Nenndrucke sein

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel naher erläutert werden Dabei zeigen

Fig 1 einen Querschnitt eines erfmdungsgemaß ausgelegten Drucksensors,

Fig 2 bis 4 die Funktionsweise des erfmdungsgemaß ausgelegten Drucksensors nach Rg 1,

Fig 5 konstruktive Möglichkeiten der Realisierung des erfmdungsgemaß ausgelegten Drucksensors nach Fig 1,

Fig 6 die Draufsicht einer Möglichkeit der Anordnung piezoresistiver Strukturen im erfmdungsgemaß ausgelegten

Drucksensor nach Fig 1 und Fig 7 die elektrische Schaltung der piezoresistiven Strukturen nach Fig 5

Gemäß Fig 1 ist der Drucksensor aus einem Drucksensorchip 1 und einem Gegenkorper 2 aufgebaut Der Drucksensorchip 1 besteht dabei üblicherweise aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Silizium Er enthalt einen Einspannrahmen 3, eine äußere Druckmembran 4, die im Innern einen verformungssteifen Rahmen 5 tragt und damit eine ringförmige bzw ringahnliche Gestalt besitzt Im inneren des verformungssteifen Rahmens 5 befindet sich eine zweite Druckmembran, die innere Druckmembran 6 Die Druckmembranen 4 und 6 sind durch lokales Abdunnen mittels üblicher mikromechanischer Herstellungstechnologien im Drucksensorchip 1 erzeugt

Die Druckmembranen 4 und 6 sowie der verformungssteife Rahmen 5 besitzen außen bzw innen vorzugsweise quadrat-, rechteck- oder kreisförmige Geometrie

Auf der Oberflache bzw im oberflachennahen Bereich der Druckmembranen 4 und 6 befinden sich piezoresistive Strukturen 7 bzw 8 die vorzugsweise piezoresistive Widerstände darstellen

Der verformungssteife Rahmen 5 ist senkrecht zur Oberflache des Sensorchips 1 bis zu einem Anschlag 9, der durch den Gegenkorper 2 gebildet wird, beweglich

Die Große und die Dicke der äußeren Druckmembran 4 sind so bemessen, daß fur einen Nenndruck p_Ni die zulassige Dehnung im Halbleitermaterial nicht überschritten wird Der Abstand zwischen dem verformungssteifen Rahmen 5 und dem Anschlag 9 des Gegenkorpers 2 ist dabei gleich der maximalen Auslenkung ξ (ρ = pni) des Rahmens 5 bei wirkendem Druck ρ = p_N1 Die Große und Dicke der inneren Druckmembran 6 sind so bemessen, daß fur einen Nenndruck p_N2 die zulassige Dehnung im Halbleitermaterial nicht überschritten wird Der Nenndruck p_N2 ist dabei um den Faktor (10 200) großer als p_Ni Vorzugsweise sind die Dicken der Druckmembranen 4 und 6 gleich

Gemäß Fig 2 werden bei sehr kleinen Drucken ρ < p_N1 die beiden Druckmembranen 4 und 6 und damit der verformungssteife Rahmen 5 proportional zum Druck ausgelenkt Durch die größere mechanische Nachgiebigkeit der äußeren Druckmembran 4 gegenüber dem Druck ergeben sich in den piezoresistiven Strukturen 7 wesentlich größere mechanische Spannungen bzw Dehnungen als in den piezoresistiven Strukturen 8 der inneren Druckmembran so daß in den piezoresistiven Strukturen ein großes elektrisches, druckproportionales Ausgangssignal entsteht

Bei Erreichen des kleineren Nenndruckes p_N1 wird die Auslenkung des verformungssteifen Rahmens 5 durch den Anschlag 9 begrenzt (Fig 3) Bei Erhöhung des Druckes über den Wert p_Ni hinaus erfolgt damit nur eine unwesentliche weitere Änderung des mechanischen Verformungszustandes der Druckmembran 4 so daß damit eine Zerstörung dieser Membran durch Überlastung ausgeschlossen ist

Gemäß Fig 4 wird bei großen Drucken oberhalb des kleinen Nenndruckes p_N1 bis zum großen Nenndruck p_N2, der den Nenndruck p_N des Gesamtsensors darstellt, in der inneren Druckmembran 6 ein weiterhin druckproportionales mechanisches Spannungs bzw Dehnungsfeld erzeugt, das zu einer druckproportionalen Ausgangsspannung der piezoresistiven Struktur 8 fuhrt

Mögliche Realisierungsformen der Ausschlagsbegrenzung des verformungssteifen Rahmens 4 sind in Fig 5 dargestellt

- Mit Hilfe üblicher mikromechanischer Bearbeitungsverfahren lokal abgedunnte Bereiche 10 des Gegenkorpers 2 Der abgedunnte Bereich 10 entspricht mindestens dem Gebiet des verformungssteifen Rahmens 5, kann aber auch zusätzlich die Gebiete der Druckmembranen 4 und 5 beinhalten Die Tiefe des abgedunnten Bereiches ist gleich dem Wert ξ (p_N1) der Auslenkung des Rahmens 7 bei wirkendem kleinen Nenndruck p_N, (Fig 5a)

- Mit Hilfe üblicher mikromechanischer Fugeverfahren ist zwischen Sensorchip 1 und Gegenkorper 2 ein Verbindungsmedium 11, beispielsweise Glaslot, eingebracht Die Schichtdicke des Verbindungsmediums 11 besitzt dabei wiederum die Dicke ξ (Pn₁) (Fig 5 b)

- Mit Hilfe üblicher mikromechanischer Bearbeitungsverfahren ist der verformungssteife Rahmen 5 um die Dicke ξ (p„i) abgedunnt (Fig 5c)

Diese Möglichkeiten können kombiniert Verwendung finden, insofern der Abstand zwiscchen dem Gegenkorper 2 und dem verformungssteifen Rahmen 5 im Bereich des Anschlages 9 dem Wert ξ (рмі) entspricht Die piezoresistiven Strukturen 7 und 8 auf den beiden Druckmembranen sind bekannterweise so angeordnet, daß sie im Bereich der größten mechanischen Spanungen liegen Das sind die Gebiete am Außen- oder Innenrand der äußeren Druckmembran 4 und die Gebiete am Außenrand bzw in der Mitte der inneren Druckmembran 6 Fig 6 zeigt eine Möglichkeit, bei der die piezoresistiven Strukturen aus jeweils 4 piezoresistiven Widerstanden 7a d und 8a d, bestehen, die entsprechend Fig 7 zu Wheatstone-Vol!brücken zusammengeschaltet sind Die Widerstände 7 a bzw 7dbzw 7csowie8abzw 8dund8bbzw 8c zeigen bei Druckeinwirkung entgegengerichtete Widerstandsanderungen Fur die Piezowiderstande 7 und 8 sind die Gebiete der größten Spannungen am Aüßenrand der Druckmembranen 4 und 6 genutzt

Fig 7 zeigt die Zusammenschaltung der Piezowiderstande 7 und 8 Die daraus gebildeten Wheatstone-Brucken werden mit einer Konstantspannung U₀ oder einen Konstantstrom I₀ gespeist Die Ausgangsspannungen U₃ in Abhängigkeit des Druckwertes bzw des Anwendungsdruckbereiches durch einen mechanischen oder elektrischen Schalter 12 die Ausgangsspannung der piezoresistiven Brücke 7 oder der piezoresistiven Brücke 8 In der Stellung A des Schalters 12 ergibt sich U„ als Ausgangsspannung der piezoresistiven Struktur 7 auf der äußeren Druckmembran 4 fur Druckwerte ρ < p_N, In der Stellung B des Schalters 12 ergibt sich U_a als Ausgangsspannung der piezoresistiven Struktur 8 auf der inneren Druckmembran 5 fur Druckwerte p_N1 <p< p_N2

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Eine geeignete Ausführungsform weist unter Bezugnahme auf Fig. 6 folgende Parameter auf:

- p_N, = 1 kPa p_N2 = 100kPa

- Breite der äußeren Außenabmessungen der inneren Druckmembran 600 μηι Druckplatte 700 pm

- Außenabmessungen des verformungssteifen Rahmens = 6 mm

- Dicke der äußeren und inneren Druckmembran ΙΟμιτι Annahme: Auflösung infolge Eigenstörungen

Δρ,.₂= 10~⁴·ρ_Ν1:2 (A 10" Schritte)

- kleinster auflösbarer Meßwert

Δρ, = 0,1 Pa Δρ₂ = 10Pa

Damit ergibt sich für den Gesamtsensor:

Pn = Pn2 = 10OkPa Δρ = Δρ, = 0,1 Pa

ΔΡ

Darausfolgt eine Auflösung = 10~⁶

Pn

Spaltbreite zwischen Rahmen 5 und Gegenkörper ξ_Ν, = 2 μνη

Die Umschaltung der Meßbereiche mittels des Schalters 12 kann auf sehr einfache Weise dadurch gesteuert werden, daß die untere dem Anschlag 9 zugewandte Fläche des Rahmens 5 und ein bestimmtes Gebiet des Anschlages 9 mit einer geeigneten leitenden Schicht beschichtet werden und somit bei Anlegen des Einspannrahmens 5 an den Anschlag 9 des Gegenkörpers ein Steuersignal für die Umschaltung des Schalters 12 erzeugt wird.

Claims

1. Piezoresistiver Drucksensor aus Halbleitermaterial, bestehend aus einem Sensorchip und einem mit dem Sensorchip verbundenen Gegenkörper, wobei der Sensorchip elastisch verformbare Bereiche in Form lokal im Sensorchip abgedünnter Bereiche und piezoresistive Strukturen enthält und die Verbindung mit dem Gegenkörper am Einspannrahmen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein verformbarer Bereich als innere Druckmembran (6) monolithisch von einem verformungssteifen Rahmen (5) getragen wird, daß sich der verformungssteife Rahmen (5) monolithisch im Inneren eines zweiten verformbaren Bereiches, der die äußere Druckmembran (4) bildet, befindet, daß die äußere Druckmembran (4) monolithisch vom Einspannrahmen (3) des Drucksensorchips (1) getragen wird, daß die äußere und innere Druckmembran (4, 6) dem Meßdruck ausgesetzt sind, daß der Abstand zwischen dem verformungssteifen Rahmen (5) und dem ihm entsprechenden Teil des Gegenkörpers (2) die Auslenkung des verformungssteifen Rahmens biszu einem Druck zuläßt, derum den Faktor(10...200) kleiner istalsder Meßbereich des Drucksensors und der verformungssteife Rahmen bei größeren Drücken als diesem Druck am Gegenkörper (2) anschlägt, daß sich auf der äußeren und der inneren Druckmembran (4, 6) jeweils eine piezoresistive Struktur (7,8) befindet, und daß die Ausgangsspannung des Drucksensors für Drücke, bei denen der verformungssteife Rahmen (5) nicht am Gegenkörper (2) angeschlagen ist, die Ausgangsspannung der piezoresistiven Struktur (7) der äußeren Druckmembran (4) und für Drücke, bei denen der verformungssteife Rahmen (5) am Gegenkörper (2) angeschlagen ist, die Ausgangsspannung der piezoresistiven Struktur (8) der inneren Druckmembran (6) ist.

2. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistiven Strukturen (8,7) auf der inneren und äußeren Druckmembran piezoresistive Brückenstrukturen sind.

3. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkörper (2) im Bereich des verformungssteifen Rahmens (5) lokal abgedünnt ist.

4. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verformungssteife Rahmen (5) dünner ist als der Einspannrahmen (3) des Drucksensorchips (1).

5. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Einspannrahmen (3) des Drucksensors und dem Gegenkörper (2) ein Verbindungsmedium mit einer Dicke befindet, die gleich dem Abstand des Anschlages zwischen dem verformungssteifen Rahmen und dem Gegenkörper ist.

6. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innere und äußere Kanten der inneren Druckmembran, des verformungssteifen Rahmens, der äußeren Druckmembran und des Einspannrahmens quadrat-, rechteck- oder kreisförmig sind.