DE102013011157B3

DE102013011157B3 - Sensorelement mit in vier Segmente unterteilter Sensorschicht und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102013011157B3
Application number: DE102013011157.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Göttel; Mario Cerino; Günter Schultes
Original assignee: Individual
Current assignee: Celago Sensors De GmbH
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-07-05

Abstract

Der Erfindung betrifft ein Sensorelement (10) umfassend eine Membran und eine auf die Membran aufgebrachte Sensorschicht (20), wobei ein aktiver Bereich (21) der Sensorschicht (20) in vier Segmente (S1...S4) unterteilt ist und in der Sensorschicht (20) vier Widerstände (R1...R4) ausgebildet sind, die eine Widerstandsbrücke (22) bilden, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente (S1...S4) durch einen Widerstand (R1...R4) elektrisch miteinander verbunden sind, die Fläche der Segmente (S1...S4) größer ist als die Fläche der Widerstände (R1...R4) und das Sensorelement (10) an den vier Segmenten (S1...S4) elektrisch kontaktiert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zu Herstellung eines Sensorelements.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement umfassend eine Membran und eine auf die Membran aufgebrachte Sensorstruktur sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Sensoren zur Erfassung mechanischer Messgrößen wie z. B. Drucksensoren oder Kraftsensoren können mit Hilfe einer Membran umgesetzt werden, die sich durch Einwirkung der zu messenden Größe verformt. Auf der Membran ist dabei eine Sensorschicht angeordnet, die zusammen mit der Membran verformt wird. Die Verformung der Sensorschicht kann elektrisch erfasst werden. Je nach verwendeter Sensorschicht kann dies resistiv, aufgrund einer Änderung des elektrischen Widerstands, kapazitiv, durch eine Änderung der Kapazität, oder piezoelektrisch, durch Änderung der elektrischen Polarisation oder der elektrischen Ladung erfolgen.
Aus US 2012/0031192 A1 ist ein System zum Überwachen von Deformationen bekannt, welches ein Array von Halbleitermessgeräten umfasst. Jedes der Halbleitermessgeräte umfasst eine lithographisch hergestellte Widerstandsbrücke sowie Dünnfilmtransistoren, mit denen sich die Widerstandsbrücken im Array individuell adressieren lassen.
EP 2 396 636 B1 beschreibt einen Kraftsensor mit mehreren auf einer Membran verteilten Sensoren. Die Sensoren sind so auf der Membran angeordnet, dass eine Krafteinwirkung entlang der drei Raumachsen detektiert werden kann.
Aus EP 1 861 687 B1 sind piezoelektrische Druck- und Dehnungssensoren bekannt. Ein Sensor umfasst ein Polymersubstrat, in dem durch Dotierung piezoelektrische Bereiche erzeugt werden. Die piezoelektrischen Bereiche werden mit einer Metallschicht kontaktiert, wobei in der Metallschicht Bond-pads ausgebildet sind, die mittels Drahtbonden kontaktiert werden.
US 2012/0144924 A1 beschreibt einen Dehnungssensor mit einem drucksensitiven Element. Auf dem drucksensitiven Element sind durch Dotieren piezoelektrische Messelemente ausgebildet, die über ebenfalls durch Dotieren ausgebildete Leiter kontaktiert sind.
DE 103 55 793 A1 beschreibt einen Biegebalkensensor für die Durchfluss- und Massenflussmessung. Durch eine Strömung wird der Biegebalken ausgelenkt, wobei die Auslenkung mit wenigstens einem piezoresistiven Sensorelement detektiert wird. Zur Kontaktierung der Sensoren wird eine Leiterbahn verwendet, die mäanderförmig ausgeführt werden kann.
Aus DE 10 2010 050 571 A1 ist ein piezoresistiver Drucksensor bekannt, bei dem eine Membran eine Messzelle abdeckt. Die piezoresisitive Sensorschicht ist auf der Membran angeordnet. Bei einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren der Messzelle und dem Außendruck wird die Membran verformt, wodurch sich der Widerstand der piezoresistiven Schicht messbar ändert.
Da die elektrischen Eigenschaften eines Sensors nicht nur durch Einwirkung der zu messenden Größe, sondern auch durch Temperaturänderung oder Alterung beeinflusst werden, ist es üblich, mehrere Einzelsensoren zu einer Messbrücke zu verschalten. Beispielsweise können vier Messwiderstände zu einer Wheatstone'schen Brücke verschaltet werden. Einflüsse, die auf alle Einzelsensoren gleichermaßen wirken, führen dabei nicht zu einer Änderung des vom Sensor gelieferten elektrischen Signals.
Aus DE 10 2011 119 349 A1 ist ein Dünnschichtsensorelement bekannt, bei dem auf einem Polymersubstrat eine piezoresistive Schicht aufgetragen ist. Auf der piezoresistiven Schicht werden durch Strukturieren der Oberfläche vier piezoresistive Sensorbereiche ausgebildet, die als Messbrücke miteinander verschaltet sind.
Üblicherweise werden auf einer Sensorschicht die Sensorbereiche als Widerstände in Form von Mäandern ausgeführt. Die Mäanderstruktur kann beispielsweise mit Hilfe photolithographischer Methoden erzeugt werden. Die vier Widerstände werden über Leiterbahnen zu einer Widerstandsbrücke verbunden. Die Leiterbahnen können durch Strukturieren einer auf die Sensorschicht aufgebrachten metallischen Schicht erzeugt werden. Für die elektrische Kontaktierung der Widerstandsbrücke werden metallische Kontaktpads vorgesehen, die ebenfalls über Leiterbahnen mit der Widerstandsbrücke verbunden werden. Die elektrische Verbindung nach außen erfolgt dann beispielsweise durch Drahtbonden an den Kontaktpads. Ist die Widerstandsbrücke nicht ausgeglichen, beispielsweise wenn die elektrischen Eigenschaften der vier Widerstände nicht exakt gleich sind, können in einem weiteren Schritt, beispielsweise mit einem Laser, die Widerstände nachbearbeitet werden.
Nachteilig an den bekannten Sensorelementen ist, dass die bekannten Formen der elektrischen Oberflächenstrukturierung der Sensorschicht eine aufwendige Strukturierung der Oberfläche erfordern, wobei bei Einsatz photolithographischer Verfahren eine Vielzahl von Prozessschritten zu durchlaufen sind. Die dabei zu durchlaufenden Schritte umfassen, das Belacken mit einem Photoresist, Trocknen des Photoresists, Belichten der Struktur, Entwickeln des Photoresits, gegebenenfalls Beschichten mit einem Metall, Ätzen der Struktur und Entfernen des Resists. Werden direktstrukturierende Verfahren, wie beispielsweise ein Laser, eingesetzt, ist durch die aufwendige Form der bekannten Oberflächenstrukturierung eine lange Bearbeitungszeit erforderlich. Zudem ist bei den bekannten Oberflächenstrukturierungen ein Ausgleichen der Widerstandsbrücke nur durch nachträgliches Bearbeiten der erzeugten Widerstände möglich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine vereinfachte elektrische Struktur zur Erzeugung einer Messbrücke in einer Sensorschicht bereitzustellen.
Es wird ein Sensorelement umfassend eine Membran und eine auf die Membran aufgebrachte Sensorschicht vorgeschlagen, wobei ein aktiver Bereich der Sensorschicht in vier Segmente unterteilt ist und in der Sensorschicht vier Widerstände ausgebildet sind, die eine Widerstandsbrücke bilden, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente durch einen Widerstand elektrisch miteinander verbunden sind, die Fläche der Segmente größer ist als die Fläche der Widerstände und das Sensorelement an den vier Segmenten elektrisch kontaktiert ist.
Je nach Ausführungsform des Sensors kann die Membran aus einem Metall, wie beispielsweise Edelstahl, Silizium, Keramik oder einem Kunststoff gefertigt sein. Ebenfalls denkbar ist, dass eine über einem Hohlraum frei gespannte Kunststofffolie (beispielsweise Polyimid) als Sensormembran dient.
Wird eine Kraft, beispielsweise Aufgrund eines Druckunterschieds auf die Membran ausgeübt, so wird diese verformt. Die Verformung überträgt sich auf die Sensorschicht und kann durch eine Änderung der elektrischen Eigenschaften der Sensorschicht nachgewiesen werden. Bevorzugt wird hierbei eine Änderung des elektrischen Widerstands für den Nachweis genutzt, es ist jedoch auch denkbar in weiteren Ausführungsformen eine Kapazitätsänderung, eine Änderung der elektrischen Polarisation oder eine Änderung der elektrischen Ladung zu nutzen.
Durch Verformung der Sensorschicht ändert sich deren Geometrie, wodurch sich bereits der elektrische Widerstand eines in der Sensorschicht ausgebildeten Widerstands ändert. Für eine große Widerstandsänderung wird bevorzugt ein Material mit hoher Dehnungsempfindlichkeit eingesetzt. Die Dehnungsempfindlichkeit wird über den k-Faktor des Materials angegeben, wobei bevorzugt ein Material mit einem k-Faktor größer als 20 verwendet wird. Bevorzugt wird das Material als dünne Schicht aufgebracht, sodass der elektrische Widerstand groß ist. Besonders bevorzugt wird für die Sensorschicht ein Material verwendet, dessen elektrischer Widerstand sich bei Krafteinwirkung über die von der geometrischen Formänderung verursachte Widerstandsänderung hinaus verändert. Geeignete Materialien umfassen beispielsweise Kompositwerkstoffe wie Nickel-Kohlenstoff, Cobalt-Kohlenstoff oder Palladium-Kohlenstoff, bei denen in Kohlenstoff gut leitende Metallpartikel aufgenommen sind. Werden diese Kompositwerkstoffe durch Krafteinwirkung verformt, ändert sich der Abstand der gut leitenden Metallpartikel zueinander, wodurch sich der elektrische Widerstand des Materials stark ändert. Geeignete Materialien sind beispielsweise in EP 2277177 A1 beschrieben.
Die Sensorschicht kann direkt auf die Membran aufgebracht werden, sofern diese aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Ist die Membran elektrisch leitfähig, würde sie die Sensorschicht kurzschließen. Daher wird im Fall einer elektrisch leitfähigen Membran zwischen der Membran und der Sensorschicht eine Isolationsschicht angeordnet. Geeignete Materialien für die Isolierschicht umfassen beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄ oder eine Kombination mehrerer Isolationsmaterialien.
Für die Unterteilung der Sensorschicht in vier Segmente, wird zunächst der aktive Bereich der Sensorschicht von der restlichen Sensorschicht abgetrennt. Der aktive Bereich der Sensorschicht wird anschließend in vier bevorzugt gleich große Segmente unterteilt, wobei Widerstände in der Sensorschicht ausgebildet werden, über die zwei jeweils benachbarte Segmente elektrisch miteinander verbunden bleiben. Jedes Segment ist dabei ein zusammenhängender, nicht weiter unterbrochener oder unterteilter Bereich der Sensorschicht.
Die Fläche, die die Widerstände auf der Sensorschicht einnehmen, ist dabei kleiner als die Fläche, die die Segmente einnehmen. Das Flächenverhältnis wirkt sich auch auf das Verhältnis zwischen dem elektrischen Widerstand in den Segmenten, der aufgrund der großen Fläche klein ist, zum elektrischen Widerstand in den als Widerstände ausgebildeten Bereichen aus. Der Flächenwiderstand wird als R-Quadrat (R/sq) angegeben und bezeichnet den Ohm'schen Widerstand eines beliebigen quadratischen Bereichs in der Sensorschicht. Die Fläche des Segments kann näherungsweise als ein großes Quadrat angesehen werden, so dass dessen elektrischer Widerstand gleich dem Flächenwiderstand R-Quadrat der Sensorschicht ist. Die Widerstandsbereiche hingegen sind als Pfad ausgebildet, dessen Seitenverhältnis von der Länge und Breite des Pfads abhängt und von dem eines Quadrats abweicht. Der elektrische Widerstand ist vom Verhältnis von Länge zu Breite des Pfades abhängig. Ist der Pfad dabei doppelt so lang wie breit, weist er einen elektrischen Widerstand von zwei mal R-Quadrat auf, so dass in diesem Fall das Verhältnis des elektrischen Widerstands der Segmente zu dem elektrischen Widerstand der Widerstände 1:2 beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Widerstand der Segmente 30-mal kleiner als der der Widerstände. In einer Variante der Erfindung wird der aktive Bereich so gewählt, sowie die Unterteilung der Sensorschicht in die Segmente so vorgenommen, dass die von den Segmenten eingenommene Fläche möglichst groß wird, so dass der elektrische Widerstand der Segmente gering wird.
Die vier in der Sensorschicht ausgebildeten Widerstände sind zu einer Widerstandsbrücke verschaltet, wobei jedes der vier Segmente als ein Kontakt der Widerstandsbrücke dient. Für die Spannungsversorgung werden zwei in der Brückenanordnung gegenüberliegende Segmente elektrisch kontaktiert. An den beiden übrigen Segmenten wird die anliegende Spannung, häufig Brückenspannung oder Diagonalspannung genannt, als Messsignal abgegriffen.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Unterteilen der Sensorschicht in die Segmente und/oder das Ausbilden der Widerstände durch eine Unterbrechung der Sensorschicht.
Mit Unterbrechung ist hier gemeint, dass die Schicht durchtrennt wird, so dass über die Unterbrechung hinweg keine elektrische Verbindung mehr besteht. Auch der aktive Bereich der Sensorschicht kann über eine solche Unterbrechung von der restlichen Sensorschicht getrennt werden. Eine solche Unterbrechung der Sensorschicht kann prinzipiell mit jedem dem Fachmann bekannten Strukturierungsverfahren erfolgen, einschließlich photolithographischer Verfahren. Bevorzugt wird jedoch die Unterbrechung mit einem direkt strukturierenden bzw. direktschreibenden Laserverfahren durchgeführt. Dabei wird Material aus der Sensorschicht mit einem Laser abgetragen.
Ein geeigneter Laser für die Strukturierung der Schicht ist beispielsweise ein Ultrakurzpulslaser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Pulsdauer von unter 15 ps. Der Laserstrahl wird über eine Optik auf die zu strukturierende Schicht gelenkt. Dort, wo der Laserstrahl auf die Sensorschicht trifft, wird diese abgetragen, so dass eine Unterbrechung in der Sensorschicht in Form eines Grabens entsteht. Der Isolationswiderstand über den Schnittgraben ist bevorzugt größer als 1 GΩ.
Ist die zu strukturierende Sensorschicht über eine Isolationsschicht auf der Membran angeordnet, wird das Material für die Isolationsschicht bevorzugt so ausgewählt, dass dieses für die verwendete Laserstrahlung transparent ist. Dadurch nimmt die Isolationsschicht bei der Laserstrukturierung nur wenig Energie auf und wird nicht beschädigt. Das Isolationsmaterial SiO₂ ist für UV-Strahlung der Wellenlänge 355 nm transparent.
Die Breite der Unterbrechung in der Sensorschicht beträgt in einer Ausführungsform der Erfindung zwischen 1 μm und 100 μm. Bevorzugt beträgt die Breite zwischen 10 μm und 50 μm.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der Widerstände als ein durch Unterbrechung der Sensorschicht definierter enger Pfad ausgeführt, durch den zwei benachbarte Segmente elektrisch verbunden werden.
Der enge Pfad wird dabei durch mindestens zwei Unterbrechungen der Sensorschicht ausgebildet, wobei eng meint, dass der Pfad mindestens doppelt so lang wie breit ist. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis von Länge zu Breite zwischen 10:1 und 50:1, bevorzugt liegt das Verhältnis im Bereich von 20:1 und 40:1, besonders bevorzugt wird ein Verhältnis von 30:1.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der Widerstände als gerader Pfad ausgeführt, bei dem die beiden den Widerstand bildenden Unterbrechungen parallel zueinander verlaufen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der Widerstände als in der Sensorschicht ausgebildeter Pfad in Form eines „U” mit zwei geraden Schenkeln und einer geraden Verbindung zwischen den Schenkeln ausgeführt, wobei die Unterbrechung zwischen den Schenkeln des „U” mit einer Unterbrechung zwischen zwei benachbarten Segmenten identisch ist.
Eine solche „U”-förmige Ausführung eines Widerstands bietet sich insbesondere dann an, wenn der Widerstand am Rand der Membran angeordnet werden soll, da der Pfad so zunächst auf den Rand zuläuft, am Rand die Richtung ändert und anschließend zurückläuft.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist zwischen den beiden geraden Schenkeln eines „U”-förmigen Widerstands eine Unterbrechung der Sensorschicht in Form eines Rechtecks angeordnet, wobei die Form des Rechtecks so gewählt ist, dass die Widerstandsbrücke ausgeglichen ist.
Hierbei wird zunächst der „U”-förmige Widerstand zusammen mit der restlichen Widerstandsbrücke ausgebildet und an zwei diagonal gegenüberliegenden Segmenten mit Spannung versorgt. An den übrigen zwei Segmenten wird die Spannung gemessen. Sollte diese Spannung nicht ausgeglichen, das heißt Null sein, sind nicht alle Widerstände gleichmäßig ausgeführt. Einer der Widerstände muss geändert werden, um die Widerstandsbrücke auszugleichen. Dies wird durch das Anordnen der rechteckförmigen Unterbrechung innerhalb des „U”-förmigen Widerstands, durch die die Breite des Pfades geändert wird, erreicht.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Membran des Sensorelements bei Änderung der durch das Sensorelement zu bestimmenden Messgröße verformt und die Verformung wird auf die Sensorschicht übertragen, wobei von zwei in der Widerstandsbrücke benachbart angeordneten Widerständen einer in einem Bereich angeordnet ist, der bei der Verformung gestaucht wird und der andere Widerstand in einem Bereich angeordnet ist, der gedehnt wird.
Ist die Membran kreisförmig ausgeführt und an ihren Rändern gefasst, treten bei Auslenkung bzw. Verformung der Membran Bereiche auf, in denen das Material gestaucht wird und es treten Bereiche auf, in denen das Material gedehnt wird. Dazwischen liegt ein neutraler Bereich, in dem weder Dehnung noch Stauchung auftreten.
In die an der Widerstandsbrücke gemessenen Spannungen gehen die Änderungen benachbarter Widerstände mit umgekehrtem Vorzeichen ein. Das heißt, wenn zwei benachbarte Widerstände gleichartig verformt werden, ändert sich das Messsignal nicht. Wird ein Widerstand gestaucht oder gestreckt und der benachbarte Widerstand unverändert belassen, trägt die Verformung dieses einen Widerstands zum Messsignal bei. Wird, wie vorgeschlagen, ein Widerstand durch die einwirkende Messgröße gedehnt und der benachbarte Widerstand gestaucht, tragen beide Widerstände zum Messsignal bei.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorelement als Drucksensor ausgeführt, wobei der Drucksensor eine mit der Membran abgedeckte Messzelle umfasst.
Die Messzelle begrenzt dabei ein Volumen mit einem vorgegebenen Druck. Ist dieser Druck größer als der Druck außerhalb der Messzelle, wirkt eine Kraft von innen auf die Membran ein, wodurch diese sich nach außen wölbt. Umgekehrt führt ein größerer äußerer Druck zu einer Wölbung der Membran nach innen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Kontaktierung der Sensorschicht in den vier Segmenten als Drahtbond ausgeführt.
Der Drahtbond kann dabei direkt ohne weitere haftvermittelnde Schichten auf die Sensorschicht erfolgen. Als Bonddraht kann beispielsweise ein Aluminiumdraht eingesetzt werden. Zur Erleichterung der Platzierung der Kontakte können auf der Sensorschicht Markierungen angebracht werden. Diese können mit dem gleichen Verfahren erzeugt werden, mit denen die Unterbrechungen in der Sensorschicht hergestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Sensorelements bereitzustellen, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Membran mit einer Sensorschicht,
b) Unterteilen eines aktiven Bereichs der Sensorschicht in vier Segmente, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente über einen Widerstand miteinander elektrisch verbunden werden, die Widerstände eine Widerstandsbrücke bilden und die Fläche der Segmente größer ist als die Fläche der Widerstände,
c) Messen der Diagonalspannung an der Widerstandsbrücke und
d) Ausgleichen der Widerstandsbrücke.

Im ersten Schritt a) des Verfahrens wird eine Membran mit einer Sensorschicht zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Die Membran ist beispielsweise aus einem Metall wie Edelstahl oder einem Kunststoff gefertigt. Wird eine elektrisch leitfähige Membran verwendet, wird zwischen Sensorschicht und der Membran eine Isolierschicht, beispielsweise SiO₂, eingebracht, um ein Kurzschließen der Sensorschicht zu vermeiden.
Die Sensorschicht ist bevorzugt ein Material mit großer Dehnungsempfindlichkeit und einem k-Faktor größer als 20. Bevorzugt wird ein Material mit einem k-Faktor von ca. 30 eingesetzt. Des Weiteren ist es bevorzugt, als Sensorschicht einen Werkstoff wie beispielsweise ein Nickel-Kohlenstoff, ein Cobalt-Kohlenstoff oder Palladium-Kohlenstoff Kompositwerkstoff zu verwenden, dessen Widerstandsänderung bei Verformung über den durch die geometrischen Veränderungen verursachten Effekt hinausgeht.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Unterteilen der Sensorschicht in die vier Segmente und/oder das Ausbilden der Widerstände gemäß Schritt b) durch Unterbrechen der Sensorschicht mit einem Laserstrahl.
Der verwendete Laser ist beispielsweise ein Ultrakurzpulslaser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Pulsdauer von unter 15 ps. Der Laser wird mit Hilfe einer Optik so über die Oberfläche der Sensorschicht geführt, dass der Laserstrahl die Bereiche überstreicht, in denen die Sensorschicht unterbrochen werden soll. Die Sensorschicht absorbiert die Energie des Lasers und wird dabei abgetragen. Die gewünschte Struktur wird somit direkt in die Sensorschicht geschrieben.
Im dritten Schritt c) des Verfahrens wird die in der Sensorschicht ausgebildete Widerstandsbrücke an zwei gegenüberliegenden Segmenten mit einer Spannung versorgt, und an den beiden übrigen Segmenten wird die Spannung gemessen. Für die Messung kann über Nadeln, Klemmen oder andere lösbare Verbindungen ein vorübergehender Kontakt hergestellt werden. Alternativ können bereits die endgültigen, für die spätere Verwendung des Sensors bestimmten Kontaktierungen, beispielsweise in Form von Drahtbonds, vorgenommen werden.
Im letzten Schritt d) des Verfahrens wird die Widerstandsbrücke ausgeglichen, sofern die gemessene Spannung ungleich Null ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens sind die vier Segmente mit Drahtbonds kontaktiert und es wird zum Ausgleichen der Widerstandsbrücke gemäß Schritt d) an mindestens einem Segment ein weiterer Drahtbond an einer gegenüber dem ersten Drahtbond in diesem Segment verschobenen Position angeordnet.
Die Sensorschicht weist einen im Vergleich zu den Bonddrähten hohen Widerstand auf. Somit weist die Strecke zwischen dem Drahtbond und einem der an das Segment angrenzenden Widerstände ebenfalls einen elektrischen Widerstand auf, wobei der elektrische Widerstand zwischen zwei Punkten innerhalb des Segments aufgrund der im Vergleich zu den angrenzenden Widerständen großen Fläche gering ist. Wird der Drahtbond in einem Segment nicht an einer Stelle angeordnet, die von beiden an das Segment grenzenden Widerständen gleich weit entfernt ist, so wird der elektrische Widerstand vom Bondkontakt zu einem der angrenzenden Widerstände größer, als zum anderen Widerstand. Kleine Abweichungen in den Werten des elektrischen Widerstands der an das Segment angrenzenden Widerstände können demnach durch geeignete Wahl der Position des Bondkonakts ausgeglichen werden.
In einer Variante des Verfahrens werden in einem Segment mehrere voneinander beabstandet angeordnete Kontakte vorgesehen. Durch eine Messelektronik kann dann, wenn der Sensor im Einsatz ist, derjenige Kontakt ausgewählt werden, der den besten Abgleich der Widerstandsbrücke ermöglicht.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zum Ausgleichen der Widerstandsbrücke gemäß Schritt d) mindestens einer der vier Widerstände durch Ändern seiner Form mit einem Laserstrahl angepasst.
Der elektrische Widerstandswert der in der Sensorschicht ausgebildeten Widerstände ist von der Länge und der Breite des ihn definierenden Pfades abhängig. Wird nun durch Einfügen einer weiteren Unterbrechung der Sensorschicht der Pfad verengt, wird der elektrische Widerstand entsprechend vergrößert. Durch geeignete Wahl der Form der weiteren Unterbrechung kann die Widerstandsbrücke ausgeglichen werden.
Vorteile der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Sensorelement wird eine Sensorschicht in vier Segmente unterteilt und es werden vier Widerstände durch Unterbrechen der Sensorschicht ausgebildet. Die dabei erzeugte Oberflächenstruktur für die Sensorschicht erlaubt es, eine Widerstandsbrücke in der Sensorschicht auszubilden, wobei die Anzahl und Länge der dafür zu erzeugenden Unterbrechungen in der Sensorschicht verringert werden. Das Ausbilden von Zuleitungen entfällt zudem vollständig, da die vier Segmente, in die die Sensorschicht unterteilt wird, ausreichend groß für eine direkte Kontaktierung, beispielsweise mittels Drahtbonden, sind. Eine zusätzliche Metallisierung der Segmente ist ebenfalls nicht erforderlich, da aufgrund der großen Fläche der elektrische Widerstand innerhalb der Segmente gering ist.
Die vereinfachte Oberflächenstruktur kann zudem leicht mit Hilfe von direktschreibenden Laserverfahren in der Sensorschicht erzeugt werden. Die vorgeschlagene Oberflächenstruktur kommt dabei mit einer im Vergleich zu den bekannten Oberflächenstrukturen geringeren Anzahl an zu schreibenden Linien aus, da weder Zuleitungen, noch mäanderförmige Widerstände ausgebildet werden müssen. Die reduzierte Anzahl an zu schreibenden Linien ermöglicht es, die Struktur in kürzerer Zeit mit dem Laser zu schreiben. Zudem bedeutet eine geringere Anzahl an zu erzeugenden Unterbrechungen auch eine Reduzierung von möglichen Fehlern in der hergestellten Struktur.
Die großen Segmente ermöglichen zudem neben dem Lasertrimmen auch eine weitere Möglichkeit, die Widerstandsbrücke auszugleichen. Dazu wird mindestens ein Drahtbond nicht in der Mitte zwischen zwei benachbarten Widerständen, sondern gegenüber der Mitte verschoben angeordnet. Eine weitere vorteilhafte Variante ermöglicht auch einen nachträglichen Abgleich der Widerstandsbrücke. Dazu werden auf einem Segment mehrerer voneinander beabstandet angeordnete Kontakte vorgesehen. Die Messelektronik wählt dann denjenigen Kontakt aus, der den besten Abgleich der Widerstandsbrücke ermöglicht.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch ein Sensorelement von der Seite,
2 eine schematische Darstellung einer Widerstandsbrücke,
3a eine Membran, die nach unten ausgelenkt wird,
3b die bei der Auslenkung der Membran auftretende Spannung,
4 die Anordnung der Unterbrechungen in der Sensorschicht,
5 die Bearbeitung der Sensorschicht mit einem Laser,
6 eine schematische Darstellung der erzeugten Schaltung,
7 eine vergrößerte Darstellung eines „U”-förmigen Widerstands,
8 verschiedene Positionen für die Anordnung von Drahtbonds,
9 eine alternative Begrenzung des aktiven Bereichs,
10 eine weitere Alternative für die Begrenzung des aktiven Bereichs.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch ein Sensorelement von der Seite.
In der 1 ist ein Sensorelement 10 dargestellt. Das Sensorelement 10 umfasst einen Grundkörper 12, der mit einer Membran 16 abgedeckt ist Der Grundkörper 12 und die Membran 16 schließen eine Messzelle 14 ein.
Die Membran 16 ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform aus dem gleichen Material wie der Grundkörper 12 gefertigt. Geeignete Materialien für die Membran 16 umfassen Metalle wie beispielsweise Edelstahl, Silizium, Keramik oder einen Kunststoff wie Polyimid.
Auf der Membran 16 ist eine Sensorschicht 20 angebracht, wobei in der dargestellten Ausführungsform zwischen der Sensorschicht 20 und der Membran 16 eine Isolationsschicht 18 eingefügt ist. Die Isolationsschicht 18 ist hier notwendig, da ansonsten die elektrisch leitfähige Membran 16 die Sensorschicht 20 kurzschließen würde. Geeignete Materialien für die Isolationsschicht umfassen beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄ oder es wird eine Kombination mehrerer Isolationsmaterialien verwendet.
Das Material der Sensorschicht 20 weist bevorzugt piezoresistive Eigenschaften auf, so dass sich der elektrische Widerstand der Sensorschicht 20 bei einer Verformung über die durch die Geometrieänderung verursachte Widerstandsänderung hinaus verändert. Geeignete Materialien umfassen beispielsweise Kompositwerkstoffe wie Nickel-Kohlenstoff, Cobalt-Kohlenstoff oder Palladium-Kohlenstoff, bei dem in amorphem Kohlenstoff gut leitende Metallpartikel aufgenommen sind. Werden diese Kompositwerkstoffe durch Krafteinwirkung verformt, ändert sich der Abstand der gut leitenden Metallpartikel zueinander, wodurch sich der elektrische Widerstand des Materials stark ändert. Geeignete Materialien sind beispielsweise in EP 2277177 A1 beschrieben.
Das Sensorelement 10 kann als Drucksensor eingesetzt werden, wobei der Druck in der Messzelle 14 als Referenzdruck dient. Ist der Druck außerhalb der Messzelle 14 größer als innerhalb, so wird die Membran 16 mitsamt der Sensorschicht 20 ausgelenkt und wölbt sich nach innen. Umgekehrt führt ein größerer Druck im Inneren der Messzelle 14 zu einer Wölbung der Membran 16 nach außen. Die Wölbung der Membran 16 verformt die Sensorschicht 20. Diese Verformung wiederum kann durch eine Änderung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht 20 nachgewiesen werden.
Um eine Änderung des Widerstands der Sensorschicht 20 aufgrund von Alterung oder schwankender Temperatur bei der Messung auszugleichen, wird auf der Sensorschicht 20 bevorzugt eine Widerstandsbrücke mit vier Widerständen ausgebildet.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Widerstandsbrücke.
In 2 sind vier Widerstände R₁ bis R₄ dargestellt, die zu einem Quadrat bzw. zu einer Widerstandsbrücke 22 verschaltet sind. Dabei liegen R₁ und R₂ sowie R₃ und R₄ auf gegenüberliegenden Seiten des Quadrats. An zwei diagonal im Quadrat liegenden Punkten wird die Widerstandsbrücke 22 mit einer Spannung U_S versorgt. In der Darstellung der 2 liegt der erste Punkt zwischen R₃ und R₁ und die zweite Punkt zwischen R₂ und R₄. An der anderen Diagonalen wird die Brückenspannung bzw. Diagonalspannung gemessen. Der Punkt U₊ liegt dabei zwischen R₁ und R₄, der Punkt U_– zwischen R₂ und R₃.
Jeweils zwei Widerstände, hier R₂ und R₃ sowie R₁ und R₄ wirken in der Brückenschaltung als Spannungsteiler. Die Diagonalspannung zwischen U₊ und U_– ist dabei die Differenz der beiden Spannungsteiler. Ist die Widerstandsbrücke ausgeglichen, was beispielsweise der Fall ist, wenn die Werte alle vier Widerstände R₁ bis R₄ gleich sind, so ist die Diagonalspannung 0.
In die an der Widerstandsbrücke gemessene Spannung gehen die Änderungen benachbarter Widerstände mit umgekehrtem Vorzeichen ein. Das heißt, wenn zwei benachbarte Widerstände gleichartig ihren Wert ändern, ändert sich das Messsignal nicht. Somit beeinflusst beispielsweise eine Änderung der Temperatur, die alle Widerstände betrifft, nicht die gemessene Diagonalspannung.
3a zeigt eine Membran, die nach unten ausgelenkt wird. In 3b ist die von der Auslenkung verursachte Spannung aufgetragen.
In 3a ist eine runde Membran 16 mit einer Dicke d und Radius r_r dargestellt. An den beiden Seiten ist die Membran 16 eingespannt, so dass an diesen Stellen keine Verformung möglich ist. Durch Krafteinwirkung von oben ist die Membran 16 nach unten gewölbt. Durch die Wölbung nach unten wird die Oberseite 16a der Membran 16 in der Mitte gestaucht und an den Rändern gestreckt, so dass sich an den Rändern ein Bereich 26 befindet, an der das Material gedehnt wird und in der Mitte ein Bereich 24 befindet, in dem das Material gestaucht wird. Umgekehrt verhält es sich an der Unterseite 16b der Membran 16, wo sich an den Rändern Bereiche 24 befinden, in denen das Material gestaucht wird und in der Mitte ein Bereich 26 auftritt, in dem das Material gestreckt wird.
In 3b sind die in der in 3a dargestellten Situation für die Oberseite der Membran 16 auftretenden Spannungen in radialer Richtung σ_r und in tangentialer Richtung σ_φ dargestellt. Im Zentrum der Membranoberfläche 16a befindet sich ein Bereich 24, in dem das Material zusammengedrückt wird. An den Rändern kehrt sich das Vorzeichen der Spannung um, so dass dort Bereiche 26 auftreten, in denen das Material gestreckt wird. Der Bereich 24, in dem das Material gestaucht wird, ist für Kräfte in radialer Richtung kleiner als für Kräfte in tangentialer Richtung. An dem Übergang von einer Stauchung zu einer Streckung befindet sich sowohl für die tangentiale Spannung σ_φ als auch für die radiale Spannung σ_r ein Bereich 30, an dem die Spannung 0 bzw. neutral ist.
4 zeigt die Anordnung der Unterbrechungen in der Sensorschicht.
In 4 ist das Sensorelement 10 in einer Ansicht von oben dargestellt. Auf der Oberseite des Sensorelements 10 befindet sich die Sensorschicht 20. Durch eine erste Unterbrechung 35 wird der aktive Bereich 21 der Sensorschicht 20 definiert. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der aktive Bereich 21 kreisförmig und auf der Fläche der Membran zentriert. Der aktive Bereich 21 der Sensorschicht 20 wird durch weitere Unterbrechungen 34, 37 und 44 weiter strukturiert.
Durch mehrere Unterbrechungen 34 ist der aktive Bereich 21 in vier gleich große Segmente S₁ bis S₄ unterteilt, wobei die Unterbrechungen 34 zwischen zwei benachbarten Segmenten S₁...S₄ nicht vollständig ausgeführt sind, sondern an jeweils einer Stelle eine elektrische Verbindung zwischen den zwei benachbarten Segmenten S₁...S₄ erlauben. Durch weitere Unterbrechungen 37 wird an der Stelle der elektrischen Verbindung zwischen zwei benachbarten Segmenten S₁...S₄ jeweils ein enger Pfad 36 ausgebildet, wobei eng hier ein Verhältnis von Länge des Pfads zu Breite des Pfads zwischen 10:1 und 50:1 meint. Bevorzugt liegt das Verhältnis im Bereich von 20:1 und 40:1, besonders bevorzugt wird ein Verhältnis von 30:1 verwendet. An den Verbindungen zwischen dem Segment S₁ links oben und dem Segment S₂ links unten bzw. an der Verbindung der Segmente S₃ und S₄ (rechts unten und rechts oben) sind die engen Pfade 36 gerade ausgeführt. Eine Begrenzung der beiden Pfade 36 wird dabei durch die Unterbrechung 34 zwischen den Segmenten S₁ und S₄ bzw. S₂ und S₃ gebildet, die andere Begrenzung der Pfade 36 ist eine zusätzlich angeordnete Unterbrechung 37, die parallel verläuft.
Die Pfade 36 zwischen den Segmenten S₁ und S₄ bzw. S₂ und S₃ werden zum einen durch die Unterbrechung 34 zwischen den Segmenten S₁ und S₄ bzw. S₂ und S₃ definiert, zum anderen durch zusätzliche „L”-förmige Unterbrechungen 44, so dass ein Pfad 36 in Form eines „U” mit zwei geraden Schenkeln 46 und eine geraden Verbindung zwischen den beiden Schenkeln 46 entsteht.
Um die spätere elektrische Kontaktierung der Segmente S₁ bis S₄ zu erleichtern, können zusätzlich Markierungen 32 auf der Sensorschicht 20 erzeugt werden. Diese definieren die Positionen, an denen in einem späteren Herstellungsschritt die Kontakte angebracht werden sollen.
Wie der 4 ferner entnommen werden kann, ist die Fläche der Segmente S₁ bis S₄ wesentlich größer als die Fläche der Widerstände R₁ bis R₄. Als Fläche eines Widerstands ist dabei die vom jeweiligen Pfad 36 in der Sensorschicht 20 eingenommene Fläche gemeint.
5 zeigt die Bearbeitung der Sensorschicht mit einem Laser.
In 5 ist der Schichtaufbau auf der Membran 16 dargestellt. Die Membran 16 ist hier aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Edelstahl, gefertigt, so dass zwischen der Membran 16 und der Sensorschicht 20 eine Isolationsschicht 18, beispielsweise aus SiO₂ eingefügt ist. Die Sensorschicht 20 umfasst bevorzugt ein Material mit piezoresistiven Eigenschaften wie beispielsweise ein Nickel-Kohlenstoff Verbundwerkstoff.
Zum Erzeugen einer Unterbrechung 34 in der Sensorschicht 20, so dass an dieser Stelle kein elektrischer Strom fließen kann, wird beispielsweise ein direktschreibendes Laserverfahren verwendet. Dabei wird ein Laserstrahl 38 eines Ultrakurzpulslasers mit Hilfe einer Optik über die Sensorschicht 20 bewegt, wobei der Laserstrahl 38 die zu Unterbrechenden Linien 34 überstreicht.
Als Laserstrahl 38 ist beispielsweise der Strahl eines Ultrakurzpulslasers mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Pulsdauer von unter 15 ps geeignet. Die Breite 40 der Unterbrechung 34 beträgt dabei zwischen 1 μm und 100 μm. Mit dem als Beispiel angeführten Laser werden typischerweise Unterbrechungen 34 mit einer Breite 40 von etwa 15 μm erzeugt.
6 zeigt eine schematische Darstellung der erzeugten Schaltung.
In 6 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung wiedergegeben, die der in 4 dargestellten Struktur entspricht. Die Schaltung stellt eine Widerstandsbrücke 22 ähnlich wie zu 2 bereits beschrieben dar, jedoch können die beiden Schenkel der Widerstände R₁ und R₂, die jeweils die Segmente S₁ mit S₄ und S₂ mit S₃ verbinden, jeweils als eigene Teilwiderstände R_a und R_b angesehen werden. Die Teilwiderstände R_a und R_b sind in Serie geschaltet, so dass sich ihre elektrischen Widerstandswerte zu einem Gesamtwiderstand R₁ bzw. R₂ addieren lassen. Die Schaltungen der 2 und 6 sind somit elektrisch identisch.
7 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines „U”-förmigen Widerstands.
In 7 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Oberfläche der Sensorschicht 20 um den Widerstand R₂ wiedergegeben. Die Unterbrechung 35 begrenzt den aktiven Bereich 21 der Sensorschicht 20. Eine weitere Unterbrechung 34 unterteilt den dargestellten Bereich des aktiven Bereichs 21 der Sensorschicht in die Segmente S₂ (links) und S₃ (rechts), wobei die Unterbrechung 34 nicht vollständig ausgeführt ist und an einer Stelle eine Öffnung in der Unterbrechung 34 verbleibt, die eine elektrische Verbindung der beiden Segmente S₂ und S₃ darstellt. An der unteren Begrenzung der Öffnung in der Unterbrechung 34 schließen zu beiden Seiten „L”-förmige Unterbrechungen 44 an, die zwei Schenkel 46 eines „U”-förmigen Pfades 36 bilden. Der durch die beiden Schenkel 46 gebildete Pfad 36 ist eng und weist daher einen im Vergleich zur großen Fläche der jeweiligen Segmente einen großen elektrischen Widerstand auf. Eng meint hier wiederum ein Verhältnis von Länge zu Breite des Pfades 36 zwischen 10:1 und 50:1.
Der Wert des durch den Pfad 36 definierten elektrischen Widerstands R₂ kann durch Ändern die Form des Pfades 36 angepasst werden. Dazu kann im Inneren der „U”-Form, also zwischen den beiden Schenkeln 46, eine rechteckförmige Unterbrechung 42 angeordnet werden. Durch diese wird der Pfad 36 enger, so dass der elektrische Widerstand, abhängig von der gewählten Form des Rechtecks 42, erhöht wird. Diese Anpassungsmöglichkeit kann genutzt werden, um die durch die Widerstände R₁ bis R₄ auf der Sensorschicht 20 gebildete Widerstandsbrücke auszugleichen.
8 zeigt verschiedene Positionen für die Anordnung von Drahtbonds auf der Sensorschicht.
In 8 ist die Sensorschicht 20 eines Sensorelements 10 von oben dargestellt. Die durch Unterbrechungen 34, 35, 37 und 44 in der Sensorschicht 20 erzeugte Struktur ist identisch mit der bereits zu 4 beschriebenen Struktur. Wiederum sind auf der Oberfläche der Sensorschicht 20 erste Markierungen 32 vorgesehen, an denen später die elektrischen Kontakte angeordnet werden sollen, jedoch sind in zwei Segmenten S₂ und S₄ weitere Positionsmarkierungen 33 angeordnet.
Alle Markierungen 32 und 33 liegen in der in 8 dargestellten Ausführungsform in einem durch eine gepunktete Linie markierten neutralen Bereich 30, in dem bei einer Wölbung der Membran keine Stauchung oder Streckung der Sensorschicht 20 erfolgt. Dadurch werden Einflüsse auf die elektrischen Kontakte vermieden.
Die ersten Markierungen 32 liegen dabei von den an das jeweilige Segment S₁...S₄ angrenzenden Widerständen R₁...R₄ gleich weit entfernt, die weiteren Markierungen liegen dichter an einem der beiden angrenzenden Widerstände.
Die Sensorschicht 20 weist einen, im Vergleich zu den für die Kontaktierung üblicherweise verwendeten Bonddrähten, hohen Widerstand auf. Somit weist die Strecke zwischen dem Kontakt und einem der an das Segment angrenzenden Widerstände ebenfalls einen elektrischen Widerstand auf, wobei der elektrische Widerstand zwischen zwei Punkten innerhalb des Segments aufgrund der im Vergleich zu den angrenzenden Widerständen großen Fläche gering ist. Wird der Drahtbond in einem Segment nicht an einer Stelle 32 angeordnet, die von beiden an das Segment grenzenden Widerständen gleich weit entfernt ist, so ist der elektrische Widerstand von der gewählten Position 33 zu einem der angrenzenden Widerstände größer, als zum anderen Widerstand. Durch die geeignete Wahl der weiteren Position 33 zur Herstellung eines elektrischen Kontakts kann die Widerstandsbrücke auch dann ausgeglichen werden, wenn die Werte der Widerstände R₁ bis R₄ nicht vollständig ausgeglichen sind.
9 zeigt eine alternative Begrenzung des aktiven Bereichs.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform der durch Unterbrechungen 34, 35, 37 und 44 definierten Oberflächenstruktur dargestellt. Die Unterbrechung 35, die den aktiven Bereich 21 auf der Sensorschicht 20 definiert, ist dabei nicht mehr wie in den Ausführungsformen der 4, 7 und 8 kreisförmig ausgeführt, sondern in Form mehrerer gerader Linienabschnitte ausgebildet. Die Linienabschnitte der Unterbrechung 35 fallen dabei teilweise mit den Unterbrechungen 34, 37 und 44 zusammen, die die engen Pfade 36 der Widerstände R₁ bis R₄ definieren.
Die von den Segmenten S₁ bis S₄ eingenommene Fläche auf der Sensorschicht 20 verringert sich, gleichzeitig nimmt jedoch auch die Länge der Unterbrechung 35 ab, die den aktiven Bereich 21 der Sensorschicht 20 begrenzt. Eine kürzere Linie kann bei Verwendung von direktschreibenden Strukturierungsverfahren schneller geschrieben werden und verringert die Wahrscheinlichkeit, dass eine der Unterbrechungen nicht dauerhaft über die gesamte Länge elektrisch isolierend bleibt.
10 zeigt eine weitere Alternative für die Begrenzung des aktiven Bereichs.
In 10 ist eine weitere Ausführungsform der durch Unterbrechungen 34, 35, 37 und 44 definierten Oberflächenstruktur dargestellt. Die Unterbrechung 35, die den aktiven Bereich 21 auf der Sensorschicht 20 definiert, fällt weitestgehend mit den Unterbrechungen 34, 37 und 44 zusammen, die die engen Pfade 36 der Widerstände R₁ bis R₄ definieren. Nur um die hier stark verkleinerten Flächen der Segmente S₁ bis S₄ herum ist die Unterbrechung 35 noch als separate Unterbrechung ausgeführt. Die Anzahl und Länge der zu erzeugenden Unterbrechungen wird in dieser Ausführungsform minimal, so dass sie sich besonders schnell mit Hilfe eines direktschreibenden Verfahrens herstellen lässt.
Beispiel:
Auf die Stahlmembran eines für 100 bar ausgelegten Drucksensors wurde zunächst eine SiO₂ Isolationsschicht und anschließend eine Sensorschicht aus Nickel-Kohlenstoff (Ni:a-C:H) mit einem Flächenwiderstand von etwa 150 Ω/sq und einer Schichtdicke von etwa 300 nm aufgebracht. Die Sensorschicht wurde anschließend mit einem Laserverfahren wie zur 3 beschrieben bearbeitet, um die in 4 gezeigte Struktur zu erzeugen. Die Laserschnittbreite beträgt dabei etwa 20 μm. Die Pfade, die die Widerstände R₁ bis R₄ bilden, weisen eine Länge von 1 mm und eine Breite von etwa 30 μm auf. Somit werden etwa 33 Rsq elektrischer Widerstand realisiert, die mit dem angegebenen Flächenwiderstand etwa 5 kΩ für jeden Widerstand ergeben. Mit den segmentgroßen Zuleitungen ergeben sich Brückenwiderstände von etwa 5,3 kΩ. Die Sensorempfindlichkeit bei 100 bar beträgt in diesem Ausführungsbeispiel etwa 25 mV/V, das heißt die Brückenspannung zwischen den Kontakten U₊ und U_– beträgt 25 mV, wenn eine Speisespannung U_S von 1 V verwendet wird.
Bezugszeichenliste

10: Sensorelement
12: Grundkörper
14: Messzelle
16: Membran
16a: Oberzelle
16b: Unterzelle
18: Isolationsschicht
20: Sensorschicht
21: aktiver Bereich der Sensorschicht
22: Widerstandsbrücke
U_S: Speisespannung
U₊: Messsignal/Spannung +
U_–: Messsignal/Spannung +
R₁–R₄: Widerstände
24: Bereich mit Kompression/Stauchung
26: Bereich Dilatation/Dehnung
28: Eingangsparameter vom Rand der Membran
d: Dicke der Membran
r: radiale Position
r_r: Radius der Membran
σ: mechanische Spannung
σ_l: tangentiale Spannung
σ_r: radiale Spannung
30: neutraler Bereich
32: Position für Drahtbond
33: abweichende Position
34: isolierende Linie zwischen zwei Segmenten
35: isolierende Linie am Rand
S_1-4: Segmente 1–4
38: Laser
40: Unterbrechung
42: Rechteck
44: „U”-Linie
46: Schenkel
36: Pfad
R_a: 1. Teilwiderstand
R_b: 2. Teilwiderstand
37: Widerstandsdefinierende Unterbrechung

Claims

Sensorelement (10) umfassend eine Membran (16) und eine auf die Membran (16) aufgebrachte Sensorschicht (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein aktiver Bereich (21) der Sensorschicht (20) in vier Segmente (S₁...S₄) unterteilt ist und in der Sensorschicht (20) vier Widerstände (R₁...R₄) ausgebildet sind, die eine Widerstandsbrücke (22) bilden, wobei jeweils zwei benachbarte Segmente (S₁...S₄) durch einen Widerstand (R₁...R₄) elektrisch miteinander verbunden sind, die Fläche der Segmente (S₁...S₄) größer ist als die Fläche der Widerstände (R₁...R₄) und das Sensorelement (10) an den vier Segmenten (S₁...S₄) elektrisch kontaktiert ist, wobei die vier Segmente (S₁...S₄) keine zusätzliche Metallisierung aufweisen.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterteilung der Sensorschicht (20) in die Segmente (S₁...S₄) und/oder das Ausbilden der Widerstände (R₁...R₄) durch eine Unterbrechung (35, 34, 37, 42, 44) der Sensorschicht (20) erfolgt.
Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechung (35, 34, 37, 42, 44) der Sensorschicht zwischen 1 μm und 100 μm breit ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Widerstände (R₁...R₄) als ein durch Unterbrechung (34, 37, 44) der Sensorschicht (20) definierter enger Pfad (36) ausgeführt ist, durch den zwei benachbarte Segmente (S₁...S₄) elektrisch verbunden werden.
Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Widerstände (R₁...R₄) als in der Sensorschicht (20) ausgebildeter Pfad (36) in Form eines „U” mit zwei geraden Schenkeln (46) und einer geraden Verbindung zwischen den Schenkeln (46) ausgeführt ist, wobei zwischen den beiden Schenkeln (46) eine Unterteilung (34) zweier Segmente (S₁...S₄) verläuft.
Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden geraden Schenkeln (46) eines „U” förmigen Widerstands (R₁...R₄) eine Unterbrechung (35, 35, 37, 42, 44) der Sensorschicht (20) in Form eines Rechtecks (42) angeordnet ist, wobei die Abmessungen des Rechtecks (42) so gewählt sind, dass die Widerstandsbrücke (22) ausgeglichen ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran (16) des Sensorelements (10) bei Änderung der durch das Sensorelement (10) zu bestimmenden Messgröße verformt wird und wobei sich die Verformung auch auf die Sensorschicht (20) überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass von zwei in der Widerstandsbrücke (22) benachbart angeordneten Widerständen (R₁...R₄) einer in einem Bereich (24) angeordnet ist, der bei der Verformung gestaucht wird und der andere Widerstand (R₁...R₄) in einem Bereich (26) angeordnet ist, der gedehnt wird.
Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) als Drucksensor ausgeführt ist, wobei der Drucksensor eine mit der Membran (16) abgedeckte Messzelle (14) umfasst.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung der Sensorschicht (20) in den vier Segmenten (S₁...S₄) als Drahtbond ausgeführt ist.
Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bondposition (32, 33) mindestens eines der Drahtbonds so gewählt ist, dass die Widerstandsbrücke (22) ausgeglichen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer Membran (16) mit einer Sensorschicht (20) b) Unterteilen eines aktiven Bereichs (21) der Sensorschicht (20) in vier Segmente (S₁...S₄) und Ausbilden von vier Widerständen (R₁...R₄) in der Sensorschicht (20), wobei jeweils zwei benachbarte Segmente (S₁...S₄) über einen Widerstand (R₁...R₄) miteinander elektrisch verbunden werden, die Widerstände (R₁...R₄) eine Brückenschaltung (22) bilden und die Fläche der Segmente (S₁...S₄) größer als die Fläche der Widerstände (R₁...R₄) ist, c) Messen der Diagonalspannung an der Widerstandsbrücke (22) und d) Ausgleichen der Widerstandsbrücke (22).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterteilen der Sensorschicht (20) in die vier Segmente (S₁...S₄) und/oder das Ausbilden der Widerstände (R₁...R₄) gemäß Schritt b) durch Unterbrechen der Sensorschicht (20) mit einem Laserstrahl (38) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Messen der Diagonalspannung gemäß Schritt c) die vier Segmente (S₁...S₄) der Widerstandsbrücke (22) mit Drahtbonds kontaktiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleichen der Widerstandsbrücke (22) gemäß Schritt d) an mindestens einem Segment (S₁...S₄) ein weiterer Drahtbond an einer gegenüber dem ersten Drahtbond verschobenen Position (33) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleichen der Widerstandsbrücke (22) gemäß Schritt d) mindestens einer der vier Widerstände (R₁...R₄) durch Ändern seiner Form mit einem Laserstrahl (38) angepasst wird.