DE102006007463B3

DE102006007463B3 - Brückenschaltung und Verfahren zum Abgleichen einer Brückenschaltung

Info

Publication number: DE102006007463B3
Application number: DE200610007463
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Wolf
Original assignee: Jumo & Co KG GmbH
Current assignee: Jumo & Co KG GmbH
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-02-18
Also published as: CH698738B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messbrücke mit mindestens einem Abgleichelement (RT), das mit mindestens zwei Brückenelementen (R1-R4) der Messbrücke verbunden ist, sowie eine Messbrücke mit einem mit nur einem Brückenelement (R1-R4) verbundenen Abgleichelement (RT) und eine Messbrücke mit mindestens einem Abgleichelement (RT), das mit mindestens einem Brückenelement (R1-R4) der Messbrücke verbindbar ist, wobei die Messbrücke und das mindestens eine Abgleichelement (RT) auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind und ein Verfahren zum Abgleichen einer Messbrücke auf einem Chip mit mindestens einem auf dem Chip angeordneten Abgleichelement (RT), wobei die Verbindung des Abgleichelementes (RT) zu mindestens einem Brückenelement (R1-R4) hergestellt und/oder aufgetrennt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Brückenschaltung, insbesondere eine Messbrücke, welche Widerstandselemente aufweisen kann, wie zum Beispiel eine Wheatstone-Messbrücke, eine Thomson-Brücke oder eine Wien-Maxwell-Brücke. Bevorzugt bezieht sich die Erfindung auf eine Wheatstone-Messbrücke, welche als ein Messwandler insbesondere zur Druckmessung eingesetzt werden kann.

Aus der DE 29 40 441 A1 ist eine Druckmessvorrichtung bekannt, bei der der zu messende Druck auf ein verformbares Substrat wirkt, auf welchem ein Widerstandsdehnungsmesser aufgebracht ist und die eine elektrische Schaltung zur Erfassung der Größenänderung der Widerstände entsprechend der Verformung des Substrats aufweist, wobei der Dehnungsmesser aus Widerständen mit starken Filmdicken besteht.

Aus der WO 94/29685 ist ein Drucksensor mit einer flexiblen Membrane bekannt, auf welcher Leiterbahnen und Widerstandselemente angeordnet sind, welche eine Wheatstone-Brücke bilden, die mit zwei Widerstandselementen abgeglichen werden kann, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.

Die DE 106 38 407 C2 offenbart einen Halbleitersensor, der einen Halbleiter als Sensorelement verwendet. Ein Beschleunigungs-Erfassungselement weist eine Brückenschaltung bestehend aus vier auf einer Oberfläche der Membran eines Sensorchips ausgebildeten piezo-elektrischen Widerständen auf. Ein Ausgangsanschluss der Brückenschaltung ist über einen Offset-Einstellwiderstand geerdet.

Die DE 101 31 229 A1 offenbart einen eine physikalische Größe erfassenden Sensor mit einem Sensorabschnitt zum Erzeugen und Ausgeben einer Spannung, die von einer physikalischen Größe abhängt. Eine Signalverarbeitungsschaltung arbeitet zum Verarbeiten der Spannung, die aus dem Sensorabschnitt ausgegeben wird, um eine Spannung, die von der Spannung abhängt, die aus dem Sensorabschnitt ausgegeben wird, während einer Betriebsart zum Erfassen einer physikalischen Größe zu erzeugen und auszugeben. Eine Referenzspannung wird während einer Überprüfungsbetriebsart in die Signalverarbeitungsschaltung eingegeben, welche sich von der Betriebsart zum Erfassen einer physikalischen Größe unterscheidet. Die Referenzspannung unterscheidet sich von der Spannung, die aus dem Sensorabschnitt ausgegeben wird. Während der Überprüfungsbetriebsart wird ein Fehlverhalten der Signalverarbeitungsschaltung auf der Grundlage eines Ausgangssignals aus der Signalverarbeitungsschaltung erfasst, welche auf die darin eingegebene Referenzspannung reagiert.

Aus der DE 195 21 617 C1 ist eine Anordnung für einen magnetoresistiven Sensorchip mit zwei Wheatstone-Brücken bekannt zur Bestimmung des Sinus und Cosinus des Winkels einer Chipkante zur Magnetfeldrichtung. Alle Widerstände der Brücken bestehen aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Schichtelementen mit Stromanschlüssen aus hochleitfähigen Dünnschichtflächen mit parallelen Kanten. Bei in einer Brücke direkt elektrisch miteinander verbundenen Widerständen bilden diese Kanten Winkel von jeweils 90°. Die parallelen Kanten der einander entsprechenden Widerstände der Sinus- und der Cosinusbrücke sind um Winkel von 45° gegeneinander gedreht. Die Verteilung der magnetoresistiven Schichtelemente auf der Chipfläche erfolgt so, dass die Winkelmessung mit minimalem Fehler erfolgen kann. Anordnungen für den Einsatz des Sensorchips in der Winkel- und Positionsmessung werden angegeben. Dabei sind Abgleichflächen für die Einstellung der Nullspannung beider Brücken vorgesehen.

Die DE 33 19 605 A1 offenbart einen Sensor mit polykristallinen Silicium-Widerständen, welche durch gezieltes Einstellen der Dotierung und durch gezieltes Ausheilen thermisch angepasst und durch Lasertrimmen abgeglichen sind, wobei bei dem Abgleichverfahren sowohl die Eigenschaft des lokalen, beispielsweise durch Laserbestrahlung durchzuführenden Ausheilens der ploykristallinen Schichten genutzt, als auch der Laserabgleich selbst durch lokale Zerstörung der Siliciumschicht durchgeführt wird, wobei der Lasereinschnitt entweder programmiert oder durch gleichzeitige Messung des jeweiligen Widerstandes gesteuert wird.

Der Prospekt: „DELTA Regeltechnik GmbH", München, 1983, „Drucksensoren mit piezoresistiver Vollbrücke auf einer Silizium-Chip-Membrane" zeigt ein Anschlussschema für mehrere Trimmwiderstände einer Messbrücke, welche parallel und seriell zu einem oder mehreren Brückenelementen angeordnet sind.

IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 46, NO. 5, OCTOBER 1997, Seiten 1068 bis 1074 zeigt in 1 ein Widerstandsnetzwerk mit zwölf einzelnen Widerstandselementen.

Es ist bekannt bei der Herstellung von Messwandlern Wheatstone-Messbrücken zu verwenden. Insbesondere werden Sensoren für Dehnung, Kraft oder Druck hergestellt, bei denen unter Nutzung des piezoresistiven Effektes die zu messende mechanische Größe in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Eine im Prinzip in 1 dargestellte Wheatstone-Messbrücke besteht aus vier Widerständen R1, R2, R3 und R4 in zwei parallelen Zweigen, wobei in jedem Zweig zwei Widerstände in Reihe angeordnet sind. Zwischen den beiden Widerständen R1 und R2, sowie zwischen den Widerständen R3 und R4, kann das Potenzial S– beziehungsweise S+ abgegriffen werden, wenn an den beiden Endpunkten U+ und U– eine Versorgungsspannung U₀ angelegt wird. Die Differenz beider Potenziale S+ und S– ist die sogenannte Brückenspannung, also das Messsignal.

Die angewandten Herstellverfahren zur Erzeugung einer Brückenschaltung auf einem verformbaren Substrat für einen Sensor basieren zum Beispiel auf der Silizium-Planartechnik, der Dünnschichttechnik oder der Dickschichttechnik. Bei den Herstellungsprozessen solcher Sensoren können Fertigungstoleranzen dazu führen, dass die Messbrücken so verstimmt sind, dass das Brückensignal im unbelasteten Zustand außerhalb des von einer mit den Anschlüssen S+ und S– verbundenen Auswerteschaltung kompensierbaren Wertebereiches liegt. Deshalb ist es üblich die Messbrücken noch im Herstellprozess abzugleichen. Dazu wird oft symmetrisch in jedem der beiden Brückenzweige ein zusätzlicher Abgleichwiderstand RT1 und RTr in Reihe zu den Brückenwiderständen R2 und R4 angeordnet, wie in 2 gezeigt. Dieser Abgleichwiderstand kann durch nachträgliche Bearbeitung verändert werden, so dass die Größe des Gesamtwiderstandes und damit auch die Brückensymmetrie verändert wird. Dabei kann auch noch zusätzlich der Temperaturkoeffizient des Brückensignals beeinflusst werden. Diese nachträgliche Bearbeitung kann zum Beispiel ein Abtragen von Widerstandsmaterial in Form eines Einschnittes, zum Beispiel mittels Laser, wodurch der Widerstandswert erhöht wird, oder das Auftrennen einer zum Beispiel einen Widerstand kurzschließenden Leiterbahn zur Widerstandserhöhung sein.

Diese bekannte Methode des Brückenabgleiches beansprucht eine gewisse Fläche für die zusätzlichen Abgleichwiderstände RT1 und RTr, wobei der Abgleich meist nur in einem der beiden Brückenzweige durchgeführt werden muss. Insbesondere wenn der Abgleichwiderstand aus mehreren Elementen besteht, kann der dafür benötigte Platz die Baugröße der Messbrücke nachteilig beeinflussen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messbrücke und ein Verfahren zum Abgleichen einer Messbrücke vorzuschlagen, welche es ermöglichen, dass ein diese Messbrücke verwendender Sensor bei geringem Platzbedarf ausgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Messbrücke gemäß den unabhängigen Ansprüchen, sowie das im Patentanspruch 15 definierte Abgleichverfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine erfindungsgemäße Messbrücke neben den Brückenelementen, wie zum Beispiel einem oder mehreren, zum Beispiel vier, Widerstandselementen, welche auch zum Teil oder insgesamt als Messwiderstände ausgebildet sein können, mindestens ein und zum Beispiel nur genau ein Abgleichelement, welches zum Beispiel auch als Widerstandselement, jedoch bevorzugt nicht als Messwiderstand, ausgebildet sein kann, das elektrisch mit mindestens zwei Brückenelementen der Messbrücke verbunden ist. Ein Brückenelement kann jedes in einer Messbrücke vorgesehene Element sein und zum Beispiel einen ohmschen Widerstand, eine Kapazität und/oder Induktivität aufweisen. Das mit mindestens zwei Brückenelementen verbundene Abgleichelement kann somit zum Beispiel als Element mit zwei elektrischen Anschlüssen ausgebildet sein, wobei ein Anschluss des Abgleichelementes mit einem externen Anschluss der Messbrücke, wie zum Beispiel einem Anschluss für die Versorgungsspannung U+ oder U–, oder einem die Potentiale ausgebenden Anschluss S+ oder S– elektrisch verbunden sein kann. Der andere Anschluss des Abgleichelementes ist mit mindestens zwei Brückenelementen verbunden, also zum Beispiel mit zwei Brückenelementen des gleichen Brückenzweiges oder zwei Brückenelementen aus verschiedenen Brückenzweigen.

Zum Abgleich der Brückenspannung kann dann in Abhängigkeit von der zum Beispiel gemessenen Verstimmung der Messbrücke eine der Verbindungen des Abgleichelementes zu einem der Brückenelemente unterbrochen werden, wodurch das Abgleichelement nur noch in einen Brückenzweig geschaltet ist, so dass das Abgleichelement zum Abgleichen der Messbrücke verwendet werden kann. Der andere Brückenzweig weist dann kein Abgleichelement auf. Somit ist es nicht mehr erforderlich für jeden Brückenzweig ein Abgleichelement vorzusehen, so dass im Vergleich zum Stand der Technik gemäß 2 ein Abgleichelement eingespart werden kann, wodurch zusätzlicher Platz auf der Messschaltung geschaffen werden kann.

Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Messbrücke mit einem Abgleichelement, welches zwischen einem externen Anschluss und nur einem einzigen der Brückenelemente vorgesehen ist. Eine solche Ausführungsform der Erfindung kann zum Beispiel verwendet werden, wenn die Messbrücke so ausgelegt ist, dass zum Abgleich der Messbrücke die elektrische Eigenschaft nur eines vorgegebenen Brückenzweiges verändert werden muss. Beispielsweise kann ein Brückenelement so ausgelegt sein, dass es von Haus aus einen geringeren Widerstand als die anderen Brückenelemente aufweist, so dass ein mit diesem Brückenzweig verbundenes Abgleichelement, zum Beispiel ein seriell geschalteter Widerstand, nur noch zum Beispiel durch Abtragen von Widerstandsmaterial geeignet dimensioniert werden muss, um die Messbrücke abzustimmen. Dabei ist jedoch das abzustimmende Brückenelement bereits im Voraus festgelegt. Auch bei dieser Ausführungsform kann auf ein zweites Abgleichelement verzichtet werden.

Vorzugsweise werden die oben beschriebenen Messbrücken zusammen mit dem mindestens einen Abgleichelement auf dem gleichen Chip oder Substrat, wie zum Beispiel einem zum Beispiel runden oder scheibenförmigen Silizium-, Keramik- oder Metall-Substrat, angeordnet, wobei die elektrischen Verbindungen oder Leitungen der Brückenschaltung und das mindestens eine Abgleichelement vorzugsweise so ausgelegt sind, dass diese durch einen Bearbeitungsschritt, wie zum Beispiel durch Bestrahlung mit Laserlicht, leicht unterbrochen oder verändert, wie zum Beispiel teilweise abgetragen, werden können. Allgemein kann die Messbrücke und das Abgleichelement z.B. in Dünnschicht- oder in Dickschichttechnik oder in Halbleiterplanartechnik gefertigt sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Messbrücke mit mindestens einem Abgleichelement, das elektrisch vorzugsweise noch mit keinem Brückenelement oder externen Anschluss der Brückenschaltung verbunden ist und bevorzugt so angeordnet oder ausgelegt ist oder solche Kontakte aufweist, dass das Abgleichelement mit mindestens einem oder zwei der Brückenelemente und vorzugsweise auch mit mindestens einem externen Anschluss der Brückenschaltung verbindbar ist, so dass das Abgleichelement zum Beispiel zwischen ein Brückenelement und einen externen Anschluss der Messbrücke geschaltet werden kann. Erfindungsgemäß ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung das mindestens eine Abgleichelement auf dem gleichen Substrat wie die Messbrücke vorgesehen und weist zum Beispiel geeignete Bond-Pads auf, welche beispielsweise durch Ultraschall-Drahtbonden oder andere Bond- oder Verbindungsverfahren, wie zum Beispiel Löten, mit entsprechenden Anschlüssen eines oder mehrerer Brückenelemente oder mit externen Anschlüssen verbunden werden kann.

Die Brückenelemente können Elemente sein, welche ihre elektrischen Eigenschaften, wie zum Beispiel ihren ohmschen Widerstand, ihre Kapazität oder Induktivität, in Abhängigkeit von einem äußeren oder externen Einfluss verändern. Der externe Einfluss kann zum Beispiel eine Verformung des Brückenelementes zum Beispiel durch einen auf ein Substrat, auf welchem das Brückenelement angebracht ist, wirkenden Druck sein, so dass zum Beispiel aus der sich durch eine externe Einflussgröße verändernden elektrischen Eigenschaft eines oder mehrerer oder auch aller Brückenelemente, welche sich auf das Ausgangssignal der Brückenschaltung auswirkt, auf die die elektrische Eigenschaft beeinflussende Größe und zum Beispiel auf einen Druck, eine Kraft oder eine Dehnung rückgeschlossen werden kann. Beispielsweise können die Brückenelemente piezoresistive Elemente sein. Die Ausgänge der Brückenschaltung können mit einer im Stand der Technik bekannten Auswerte- oder Messschaltung verbunden sein.

Bevorzugt ist die Brücke als Wheatstone-Brücke mit vier ohmschen Widerständen ausgebildet, wobei mindestens ein Widerstand und vorzugsweise alle Widerstände der Wheatstone-Brücke Widerstandselemente sein können, welche ihren ohmschen Widerstand in Abhängigkeit von einer extern einwirkenden Kraft oder Verformung verändern. Ebenso kann die Brücke als Maxwell-Brücke mit mindestens einem komplexen Widerstandselement, also einem Widerstandselement mit induktivem oder ohmschem Anteil, eine Wien-Brücke oder eine Wien-Robinson-Brücke sein, wobei als Abgleichelement auch ein ohmscher oder ein komplexer Widerstand vorgesehen sein können.

Allgemein können Ausgleichelemente zum Beispiel Widerstandselemente sein, welche zum Beispiel zur Erhöhung des Widerstandes eines Brückenelementes in Reihenschaltung oder zur Verringerung des Widerstandes eines Brückenelementes zum Beispiel durch Parallelschaltung des Abgleichelements zu einem Brückenelement verwendet werden können.

Die einzelnen Brückenelemente sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen zum Beispiel runden Substrat punktsymmetrisch oder etwa punktsymmetrisch angeordnet. Vorzugsweise sind die Brückenelemente so auf einem Substrat angeordnet, dass jeweils ein Brückenelement eines Zweiges an einer äußeren oder peripheren Position des Substrates angeordnet ist und das jeweilige andere Brückenelement an einer zentralen oder inneren Position des Substrats angeordnet ist. Beispielsweise können Brücken- oder Messelemente am Rand eines Substrats einen kleineren ohmschen Widerstand als im Bereich der Mitte liegende Elemente aufweisen.

Vorteilhaft ist das Abgleichelement als Netzwerk, wie zum Beispiel als Widerstandsnetzwerk, ausgelegt und besteht aus mindestens zwei und vorzugsweise mehr als zwei Abgleichs- oder Widerstandselementen, welche je nach abzugleichender Schaltung oder Verstimmung einer Messbrücke miteinander verbunden, kurzgeschlossen oder auch von dem Abgleich-Netzwerk getrennt werden können. Dabei kann das Abgleich-Netzwerk zum Beispiel eine Reihenschaltung von Widerständen unterschiedlicher Größe sein, wobei die Widerstände zum Beispiel so ausgelegt sein können, dass ein Widerstand des Abgleich-Netzwerkes einen vorgegebenen Widerstandswert von zum Beispiel einem Bruchteil, wie zum Beispiel 1/10, eines Brückenwiderstandes aufweist. Ein weiterer Widerstand kann zum Beispiel die Hälfte des Widerstandswertes des vorgegebenen Abgleichwiderstandes haben und weitere Abgleichelemente oder Widerstände mit sich jeweils halbierenden ohmschen Widerständen können vorgesehen sein. Vorzugsweise ist noch ein einstellbarer oder trimmbarer Widerstand als weiteres Abgleichelement vorgesehen, welches im Falle eines ohmschen Widerstandes zum Beispiel durch einen sogenannten Trimmschnitt zwischen vorgegebenen Widerstandswerten bevorzugt zur Feinabstimmung veränderbar ist. Die Elemente des Abgleichnetzwerks können zum Beispiel seriell geschaltet sein, welche mit jeweils parallel geschalteten Kurzschlussbrücken versehen sind, die zur Abstimmung der Schaltung wahlweise mittels zum Beispiel eines Lasers geöffnet werden können. Ebenso ist es auch möglich Abgleichelemente in Parallelschaltungen vorzusehen, welche wahlweise verbunden oder getrennt werden können. Auch eine Kombination von seriell und parallel geschalteten Elementen ist möglich.

Vorzugsweise ist die Messbrücke so angeordnet, dass die zum Abgleich der Messbrücke dienenden Abgleich- oder Widerstands-Elemente nur auf einer Hälfte einer Oberfläche des Substrats und zum Beispiel etwa halbkreisförmig in einem peripheren Bereich eines zum Beispiel scheibenförmigen Substrats angeordnet sind, wobei auf der anderen Hälfte des Substrats zum Beispiel die externen Anschlüsse der Messbrücke und/oder weitere Mess- oder Schaltelemente, wie zum Beispiel ein Temperatursensor oder eine Auswerteschaltung, angeordnet sein können.

Somit kann mit der erfindungsgemäßen Schaltung mit einem oder mehreren nur einem Zweig oder Brückenelement der Messbrücke zuschaltbaren Abgleichelementen, wie zum Beispiel einem Abgleichwiderstand oder Widerstandsnetzwerk, und zusätzlichen zum Abgleich auftrennbaren und/oder verbindbaren Leiterbahnen die Messbrücke abgeglichen werden, ohne dass zwei symmetrisch angeordnete Abgleichwiderstände vorgesehen sein müssen, wodurch erfindungsgemäß der Platzbedarf der Schaltung verringert werden kann. Die Bauteilgröße kann verringert werden oder zusätzliche Funktionen können auf dem freien, durch die Erfindung geschaffenen, Platz integriert werden.

Insbesondere kann der Platzbedarf für Abgleichwiderstände verringert werden, so dass zum Beispiel auf einem Substrat eines zum Beispiel auf einem piezoresistiven Effekt basierenden Dehnungs-, Kraft- oder Drucksensors mit einer darauf angebrachten Wheatstone-Messbrücke zusätzlich Platz zum Anbringen zum Beispiel eines Temperatursensors und/oder einer Auswerteelektronik vorhanden ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Sensor, insbesondere einen Druck- oder Kraft-Sensor, welcher mindestens eine wie oben beschriebene Messbrücke aufweist, wobei mindestens ein und bevorzugt alle Brückenelemente als Mess- oder Sensorelemente ausgebildet sind.

Ein Drucksensor in Dickschichttechnik kann aus einem zylindrischen Keramikkörper mit einer axialen Bohrung bestehen, wobei an einer Stirnfläche eine verformbare Membran als Substrat für die Messbrücke ausgebildet sein kann. Diese Messbrücke kann als Schaltung in Dickschichttechnik aufgebracht sein, wobei erfindungsgemäß ein dem Abgleich dienendes Widerstandsnetzwerk vorgesehen sein kann. Dieses Widerstandsnetzwerk kann aus mehreren in Reihe geschalteten Widerständen, die jeweils mit einer parallel geschalteten Kurzschlussbrücke versehen sind, bestehen. Zum Abgleich können nun in Abhängigkeit von der Größe der Brückenverstimmung diese Kurzschlussbrücken unterbrochen werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Abgleichen einer zum Beispiel auf einem Substrat oder Chip zusammen mit mindestens einem Abgleichelement angeordneten Messbrücke wird die Verbindung mindestens eines Brückenelements zu einem einzigen Abgleichelement, welches auch als Netzwerk ausgebildet sein kann, hergestellt oder unterbrochen, so dass die Zuordnung des Abgleichelements zu einem der Brückenelemente oder auch zu einem der Brückenzweige erst beim Abgleichen durch Verbinden oder auch durch Auftrennen von bereits vorgesehenen Leiterbahnen erfolgt. Zum Abgleich einer Messbrücke wird vorzugsweise nur ein einziger Widerstand oder ein Widerstands-Netzwerk verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
1 das Prinzip einer Wheatstone-Messbrücke;
2 eine Messbrücke mit zwei symmetrisch angeordneten Abgleichwiderständen gemäß dem Stand der Technik;
3a bis 3g Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Messbrücke mit schaltbarem Abgleichwiderstand; und
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung mit einem Widerstands-Netzwerk.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden, wie in 3a dargestellt, an einem Ende der Brücke die beiden Leiterbahnen zwischen den Enden der Widerstände R2 und R4 und der Spannungseinspeisung U– durch eine neue Schaltung ersetzt. Dabei wird je eine Leiterbahn LV_l und LV_r direkt von der Spannungseinspeisung U– zum Ende der Widerstände R2 beziehungsweise R4 gelegt, wobei diese Leiterbahnen in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt beim Abgleich der Messbrücke entweder unterbrochen oder geschlossen werden können. Weiterhin wird zwischen den Enden der Widerstände R2 und R4 eine Leiterbahn mit den beiden Abschnitten LT_l und LT_r angeordnet, wobei auch diese Leiterbahnen in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt beim Abgleich der Messbrücke entweder unterbrochen oder geschlossen werden können. Vorzugsweise werden diese vier Leiterbahnen geschlossen ausgeführt, um dann bei Bedarf unterbrochen werden zu können. Es ist aber auch möglich, diese unterbrochen auszuführen und dann später entsprechend eine Verbindung herzustellen. An der Verbindung dieser beiden Abschnitte LT_l und LT_r führt eine Leitung zu dem trimmbaren Widerstand oder Widerstandsnetzwerk RT, dessen anderes Ende zur Spannungseinspeisung U– führt.
Vor dem Trimmen von RT wird nun in Abhängigkeit vom Messsignal U_S (Potenzialdifferenz zwischen S+ und S–) entschieden, welche beiden der vier Leiterbahnen geöffnet beziehungsweise geschlossen werden müssen. Ist U_S größer im Sinne von positiver Spannung als der gewünschte Wert, müssen die Leiterbahnen LV_r und LT_l geschlossen und die anderen beiden Leiterbahnen LV_l und LT_r unterbrochen sein. Damit ist U– direkt mit R4 verbunden, während sich der trimmbare Widerstand RT in Reihe zwischen U– und R2 befindet. Dann kann der Abgleichvorgang von RT erfolgen, bis das gewünschte Messsignal erreicht ist. Falls U_S kleiner im Sinne von negativer als der geforderte Wert ist, dann müssen die Leiterbahnen LV_l und LT_r geschlossen und die Leiterbahnen LV_r und LT_l unterbrochen werden.
Es ist auch möglich, diese Schaltung statt an der Spannungseinspeisung U– ebenso an einem der Potenzialabgriffe U+, S+ oder S– anzuordnen, wie in den 3b bis 3d dargestellt ist.
3e zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Trimmwiderstand RT parallel zu einem der Messwiderstände R1 oder R2 geschaltet werden kann, um den Widerstandswert des jeweiligen Brückenelementes zu verringern. Ebenso kann der Trimmwiderstand RT bei einer weiteren in 3f gezeigten Ausführungsform so geschaltet sein, dass er zum Beispiel wahlweise entweder parallel zu dem Widerstand R1 oder dem Widerstand R3 geschaltet werden kann.
3g zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Trimmwiderstand RT in nur einem einzigen Zweig der Messbrücke vorgesehen ist und wobei der Messwiderstand R4 so dimensioniert ist, dass er kleiner als zum Abstimmen der Messbrücke erforderlich ist. Beispielsweise können die Brückenwiderstände R1 bis R3 den gleichen Wert RB aufweisen, wobei im Ausführungsbeispiel R4 zum Beispiel den Wert 0,9 RB hat. Zum Abgleichen kann der Trimmwiderstand RT zum Beispiel so dimensioniert sein, dass er zwischen 0 und 0,2 RB einstellbar ist.
Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen eines als Abgleichelement seriell oder parallel geschalteten Trimmwiderstandes RT kann der Trimmwiderstand RT aus einer Parallelschaltung oder auch einer Serienschaltung von Abgleichwiderständen bestehen, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
4 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung mit Widerstandsnetzwerk, bei welcher der Abgleichwiderstand RT aus vier in Reihe angeordneten Widerständen RT1 bis RT4 besteht, wobei jeder von diesen Widerständen mit einer Leiterbahn (L1 bis L4) überbrückt ist. Die Nennwerte der vier Widerstände können gleich oder unterschiedlich sein. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Nennwert der Brückenwiderstände R1 = R2 = R3 = R4 = RB, der Nennwert der Trimmwiderstände RT1 = RB/10, RT2 = RB/20, RT3 = RB/40 und der Widerstand RT4 ist durch einen so genannten Trimmschnitt zwischen RB/1000 und RB/40 einstellbar. Zum Abgleich wird eine Versorgungsspannung U₀ angelegt und das Brückensignal U_S gemessen. Wenn U_S außerhalb der geforderten Toleranzgrenzen liegt, erfolgt der Abgleich. Zuerst werden bei zu kleinem Signal U_S (im Sinne von negativer als der Sollwert) die Leiterbahnen LTr und LVl und bei zu großem Signal die Leiterbahnen LTl und LVr mit einem Laserstrahl durchtrennt. Anschließend wird der mittlere Brückenwiderstand RB zwischen den Anschlüssen U+ und U– bestimmt. Dann wird berechnet, welche der vier Leiterbahnen L1 bis L4 aufgetrennt werden müssen, um mit dem Signal U_S innerhalb des Toleranzbereiches zu gelangen. Diese Leiterbahnen werden nun mit einem Laserstrahl aufgetrennt. Somit kann ein diskreter oder abgestufter Abgleich durchgeführt werden. Zuletzt kann ein Feinabgleich durchgeführt werden, bei dem durch einen Trimmschnitt in den Widerstand RT4 durch stückweises Abtragen des Widerstandsmaterials dessen Wert vergrößert wird.

Claims

Messbrücke mit einem Abgleichelement (RT), das mit mindestens zwei Brückenelementen (R1–R4) der Messbrücke verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenelemente (R1–R4) punktsymmetrisch auf einem Substrat vorgesehen sind.
Messbrücke mit einem Abgleichelement (RT), dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücke nur ein einziges Abgleichelement (RT) aufweist, welches zwischen einem externen Anschluss und nur einem einzigen Brückenelement (R1–R4) vorgesehen ist.
Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brückenelemente (R1–R4) und das mindestens eine Abgleichelement (RT) auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind.
Messbrücke mit mindestens einem Abgleichelement (RT), wobei die Messbrücke und das mindestens eine Abgleichelement (RT) auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgleichelement (RT) mit mindestens einem Brückenelement (R1–R4) der Messbrücke verbindbar ist.
Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brückenelemente (R1–R4) ohmsche, kapazitive und/oder induktive Elemente sind.
Messbrücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens ein Brückenelement (R1–R4) seine elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von einer externen Einflussgröße ändert und insbesondere als dehnungs-, kraft- oder druckempfindliches Element ausgebildet ist.
Messbrücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens ein Brückenelement (R1–R4) ein piezoresistives Element ist.
Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Abgleichelement (RT) seriell oder parallel zu mindestens einem Brückenelement (R1–R4) geschaltet ist.
Messbrücke nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Brückenelemente (R1–R4) punktsymmetrisch auf einem Substrat vorgesehen sind.
Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Brückenelemente (R1–R4) in einem peripheren Bereich und mindestens zwei Brückenelement (R1–R4) in einem inneren oder zentralen Bereich eines Substrats vorgesehen sind.
Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Abgleichelement (RT) als Netzwerk (RT1–RT4) aufgebaut ist.
Messbrücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Abgleich-Netzwerk unterschiedliche Abgleichelemente (RT1–RT4), insbesondere in Reihe und/oder parallel geschaltete Widerstände mit gleichem oder jeweils verschiedenem ohmschen Widerstand, aufweist.
Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Abgleichelemente (RT) nur auf einer Oberflächenhälfte eines Substrats angeordnet sind.
Sensor zur Druck- oder Kraftmessung mit einer Messbrücke nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Abgleichen einer Messbrücke auf einem Substrat mit mindestens einem auf dem Substrat angeordneten Abgleichelement (RT), wobei zum Abgleichen der Messbrücke die Verbindung des Abgleichelementes (RT) zu mindestens einem Brückenelement (R1–R4) hergestellt wird.
Verfahren zum Abgleichen einer Messbrücke nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Verbindung zwischen zwei Abgleichelementen (RT1–RT4) hergestellt oder aufgetrennt wird.