DE102015104410A1

DE102015104410A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102015104410A1
Application number: DE102015104410.2A
Authority: DE
Inventors: Marc Baumann
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: CN111323160A; DE102015104410B4; CN106052942B; CN106052942A; US20160282206A1; US10571347B2; CN111323160B

Abstract

Ein Drucksensor (10) hat einen Trägerchip (20), in und/oder auf dem mindestens ein Sensorelement (30) integriert ist, dessen Messsignal von der mechanischen Spannung in dem Trägerchip (20) abhängig ist. Der Trägerchip (20) ist an seiner Rückseite mit einem Festkörper (50) flächig und stoffschlüssig verbunden, dessen Elastizitätsmodul sich von dem Elastizitätsmodul des Trägerchips (20) unterscheidet. Der Trägerchip (20) weist mindestens zwei Gräben (80a, 80b) auf, zwischen denen das Sensorelement (30) angeordnet ist. Der Drucksensor hat eine Vorspannungsschaltung (40) und findet Anwendung in einem Speichereinspritzsystem.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Festkörper und einem Trägerchip, der mit dem Festkörper verbunden ist, sowie mit mindestens einem Sensorelement.
Stand der Technik
Ein derartiger Drucksensor ist z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. DE 199 63 786 A1 bekannt. Er weist einen rechteckigen Halbleiterchip auf; der mit seiner Rückseite über eine anodisch erzeugte Bondverbindung flächig mit einem quaderförmigen Festkörper aus Borsilikatglas verbunden ist. Der Werkstoff des Halbleiterchips und das Borsilikatglas haben ein unterschiedliches Elastizitätsmodul.
Aus der Dissertation „Robust Piezoresistive CMOS Sensor Microsystems", Marc Baumann, April 2013, Der Andere Verlag, ISBN 978-3-86247-354-0, sind weitere derartige Drucksensoren bekannt.
Die deutsche Offenlegungsschrift Nr. DE 41 37 624 zeigt weiterhin ein Siliziumchip zur Verwendung in einem Kraftsensor. Der Chip hat zwei auf der Oberseite eingebrachte Gräben mit zwei piezoresistiven Elementen, die zwischen den Gräbern angeordnet sind.
Andere Drucksensoren sind z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift Nr. DE 199 63 786 , der US Patentanmeldung Nr. US 2006/0144153, der US Patent Nr. 5,095,762 , der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 2009/028283 A1 , dem europäischem Patent Nr. EP 0 548 907 B1 und dem europäischem Patent Nr. EP 0 793 082 B1 bekannt.
Kurzfassung der Erfindung
Ein Drucksensor wird zur Anwendung in z.B. einem Speichereinspritzungssystem für ein Kraftzeug beschrieben. Der Drucksensor umfasst einen Festkörper und einen Trägerchip, der mit dem Festkörper schlüssig verbunden ist. In die Oberfläche des Trägerchips sind mindestens zwei Gräben eingebracht und ein Sensorelement ist zwischen den zwei Gräben angeordnet. Das Sensorelement weist mindestens eine Vorspannungs-Schaltung auf, die mit einem oder mehreren Sensorelementen verbunden ist. Durch die Gräben wird bei einer Beaufschlagung des Drucksensors mit einem Über- und Unterdruck die mechanische Spannung innerhalb des Trägerchips konzentriert. Somit ist der Drucksensor empfindlicher. Die Vorspannungs-Schaltung ermöglicht auch eine Anpassung der Versorgungsspannung der Sensorelemente, um z.B. Temperaturabweichungen in dem Drucksensor zu kompensieren.
In einer Ausgestaltung des Drucksensors können zwei oder mehrere Sensorelemente zwischen den zwei Gräben angeordnet werden, um eine Redundanz zu ermöglichen. Darüber hinaus können mehr als ein Paar Gräben in die Oberfläche des Trägerchips eingebracht werden.
Das Sensorelement ist z.B. aus einer Wheatstone’schen Brücke gebildet, wobei die Arme der Wheatstone’schen Brücke entweder mit Widerständen oder mit Feldeffekttransistoren gebildet sind. Die Verwendung der Feldeffekttransistoren ermöglicht eine höhere temperaturunabhängige Empfindlichkeit für die Messergebnisse.
Der Trägerchip weist ein Elastizitätsmodul auf, das unterschiedlich zum Elastizitätsmodul des Festkörpers ist. Aufgrund dieser unterschiedlichen Elastizitätsmodule treten die mechanischen Spannungen in dem Trägerchip auf, welche eine Änderung des elektrischen Widerstands der piezoresistive Widerstände bzw. der Feldeffekttransistoren in der Oberfläche des Trägerchips verursacht, und somit die Messergebnisse über den Druck liefern.
Je dünner die Dicke des Trägerchips ist, desto empfindlicher sind die Trägerchips und somit die Drucksensoren. Somit ist ein Trägerchip mit einer Dicke von weniger als 100 µm und vorzugsweise 50 µm vorteilhaft.
Die Drücksensoren werden in z.B. einem Einspritzungssystem eingesetzt, und sind hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Aus diesem Grund kann daher die Versorgungsspannung der Sensorelemente mit Hilfe einer Vorspannungs-Schaltung temperaturabhängig gesteuert werden. Diese temperaturabhängige Vorspannung wird entweder mit Hilfe eines Thermistors, einer elektrischen Schaltung oder einer sonstigen Kontrolle gesteuert. In einem Aspekt der Erfindung kann die Gate-Spannung an einem oder mehreren der Feldeffekttransistoren individuell angelegt und somit individuell gesteuert werden. Alternativ kann eine zusätzliche Quelle für die temperaturabhängige Versorgungsspannung verwendet werden, welche die Versorgungsspannung für sämtliche Elemente für die Wheatstone’sche Brücke steuert.
In einer weiteren Ausgestaltung hat der Drucksensor keine Gräben und die Sensorelemente sind weitgehend symmetrisch um die Mitte auf dem Chip angebracht.
Zeichnungen
Es zeigen
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors, der einen CMOS-Halbleiterchip mit darin integrierten piezoresistiven Widerständen aufweist, welcher durch anodisches Bonden flächig mit einem Festkörper verbunden ist,
2A, 2B eine Aufsicht auf den Halbleiterchip des in 1 gezeigten Drucksensors, wobei zwei in die Oberfläche des Trägerchips eingelassene Gräben erkennbar sind,
2C eine Ausgestaltung des Drucksensors mit zwei Paar Gräben auf in der Oberfläche des Trägerchips
3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Drucksensors, bei dem die Gräben im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel in der Trägerchipebene um 45° gedreht sind,
4 eine Aufsicht auf den Halbleiterchip des in 3 gezeigten Drucksensors,
5A–5E Verfahrensschritte bei der Herstellung des Drucksensors
6A–6H jeweils eine Wheatstone’schen Brücke mit Vorspannungsschaltung mit verschiedenen Anordnungen der Wheatstone’schen Brücke mit Vorspannungsschaltung.
7 zeigt ein Speichereinspritzsystem mit dem Drucksensor.
Beschreibung der Erfindung
Ein in 1 bis 4 im Ganzen mit 10 bezeichneter Drucksensor zum Messen eines auf den Drucksensor 10 einwirkenden hydrostatischen Drucks weist einen Trägerchip 20 auf, der als Halbleiterchip mit einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet ist. In den Trägerchip 20 ist mindestens ein Sensorelement 30 integriert, dessen Messsignal von der mechanischen Spannung an oder in der vorderseitigen Oberfläche 20u des Trägerchips 20 abhängig ist.
Unter einem in den Trägerchip 20 integrierten Sensorelement 30 wird ein Sensorelement 30 verstanden, das in die Oberfläche 20u des Trägerchips 20 eingelassen ist und/oder auf diese aufgebracht ist. Das Sensorelement 30 kann einen metallischen Dehnungsmessstreifen, einen piezoresistiven Widerstand und/oder eine piezoresistive Feldeffekttransistorstruktur umfassen.
Der Trägerchip 20 hat eine etwa quadratische Grundfläche, deren Seitenlänge in 1, 2A und 2B mit B bezeichnet ist. Das Siliziumsubstrat des Trägerchips 20 hat einen ersten Außenrandbereich bzw. eine erste Kante, der/die sich in Richtung einer in der Trägerchipebene des Trägerchips 20 verlaufenden x-Achse erstreckt. Unter der Bezeichnung „Trägerchipebene“ wird die Haupterstreckungsebene des Trägerchips 20 verstanden. Diese Trägerchipebene verläuft parallel zur Zeichenebene in 2A und 2B.
In 1, 2A und 3 ist nur ein einzelnes Sensorelement 30 gezeigt. 2B zeigt ein Aspekt mit zwei Sensorelementen 30a und 30b und die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Sensorelementen 30, 30a, 30b beschränkt.
Ein zweiter Außenrandbereich bzw. eine zweite Kante des Trägerchips 2 ist in Richtung einer in der Trägerchipebene verlaufenden y-Achse orientiert ist. In 2A und 2B ist erkennbar, dass die y-Achse in der Trägerchipebene orthogonal zur x-Achse angeordnet ist. Die x-Achse und die y-Achse bilden also ein kartesisches Koordinatensystem.
Das Sensorelement 30 der 1 hat vier in die Oberfläche 20u des Siliziumsubstrats integrierte piezoresistive Widerstände, die in 6A–6C näher dargestellt sind und über in den Trägerchip 20 nicht dargestellte, integrierte Leiterbahnen zu einer Wheatstone’schen Brücke miteinander verbunden sind.
In dem Ausführungsbeispiel von 1 sind die piezoresistiven Widerstände als Widerstandsbahnen ausgestaltet, die symmetrisch um das Zentrum von Durchgangsöffnungen 80a und 80b herum angeordnet sind und von den Durchgangsöffnungen 80a, 80b sowie vom Außenrand des Trägerchips 20 beabstandet sind. Jede der zwei Leiterbahnen weist zwei piezoresistive Widerstände auf, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Die dem Trägerchip 20 abgewandte Rückseite 50l des Festkörpers 50 kann mit einer Trägerplatte 55 verbunden werden. An der Trägerplatte 55 sind elektrische Anschlusskontakte angeordnet, die über nicht dargestellte Bonddrähte mit Anschlüssen des Sensorelements 30 verbunden sind. Zwei Versorgungsanschlüsse des Sensorelements sind über nicht dargestellte, weitere Leiterbahnen mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden, mittels der eine konstante Spannung von beispielsweise etwa 5 Volt an das Sensorelement 30 angelegt wird. Zwei Messanschlüsse des Sensorelements dienen zum Abgreifen einer Messspannung.
Bei einer Wheatstone’schen Brücke ist ein erster Messsignalanschluss z.B. über einen ersten piezoresistiven Widerstände mit einem ersten Versorgungsanschluss und über einen zweiten piezoresistiven Widerstand mit einem zweiten Versorgungsanschluss verbunden. Ein zweiter Messsignalanschluss ist über einen dritten piezoresistiven Widerstand mit dem ersten Versorgungsanschluss und über einen vierten piezoresistiven Widerstand mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden. 6A–6C und 6F zeigen verschiedene Aspekte der Wheatstone’schen Brücke mit Widerständen und 6D–6E und 6H verschiedene Aspekte mit Feldeffekttransistoren. Diese Figuren werden später näher erläutert.
Der Trägerchip 20 ist an seiner Rückseite 20l über eine anodische Bondverbindung flächig mit dem Festkörper 50 verbunden. Bei einer Ausgestaltung des Drucksensors 10 ist der Werkstoff des Festkörpers 50 derart gewählt, dass der Werkstoff des Festkörpers 50 etwa den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Werkstoff des Trägerchips 20. Die mechanische Spannung in dem Trägerchip 20 ist dann weitgehend unabhängig von der Temperatur des Drucksensors 10.
In einer nicht-beschränkenden Ausgestaltung des Drucksensors 10 besteht der Festkörper 50 aus Borsilikatglas, dessen Elastizitätsmodul etwa 68 GPa beträgt und sich von dem richtungsabhängigen Elastizitätsmodul des Siliziums, der im Bereich von 130 bis 168 GPa liegt, deutlich unterscheidet. Der Temperaturausdehnungskoeffizienten von Borsilikatglas entspricht etwa dem Temperaturausdehnungskoeffizient des Siliziums.
Anstelle der anodischen Bondverbindung zwischen dem Trägerchip 20 und dem Festkörper 50 wäre auch eine andere stoffschlüssige Verbindung möglich. Es ist aber auch möglich, dass der Trägerchip 20 im Wesentlichen aus Metall und der Festkörper 50 aus einem Polymerwerkstoff besteht.
Der Festkörper 50 kann auf der Trägerplatte 55 oder an einer geeigneten Halterung angeordnet sein, an der der Festkörper 50 beispielsweise mittels einer Klebstoffschicht fixiert ist.
In den 1 und 3 ist erkennbar, dass der Trägerchip 20 etwa die gleiche Grundfläche aufweist wie der Festkörper 50 und in gerader Verlängerung mit diesem fluchtet. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen denkbar, bei denen der Trägerchip 20 und der Festkörper 50 unterschiedliche Grundflächen haben. Der Drucksensor 10 hat also einen zweischichtigen Aufbau, bei dem eine Schicht (hier Festkörper 50) aus Borsilikatglas und eine zweite Schicht (hier Trägerchip 20) im Wesentlichen aus Silizium bestehen.
Der Trägerchip 20 hat in einem Aspekt zwei parallel zueinander verlaufende Gräben 80a und 80b, die sich bei dem in 1, 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung der y-Achse erstrecken. Die Gräben 80a und 80b sind als Durchgangsöffnungen oder -schlitze ausgestaltet, welche den Trägerchip 20 normal zu seiner Trägerchipebene durchsetzen. Die Länge L der Gräben 80a und 80b ist in einem Aspekt mindestens so groß wie der seitliche Abstand A zwischen den Gräben 80a und 80b. Die Breite W der Gräben 80a, 80b kann kleiner als die Hälfte des Abstands A und kann insbesondere ein Viertel des Abstands A betragen. Die Gräber können sich aber auch bis zu einem Außenrand 25 des Trägerchips 20 erstrecken, wodurch sich die Empfindlichkeit des Drucksensors weiter erhöht wird.
Die Gräben 80a, 80b sind bevorzugt von den Rändern des Trägerchips 20 beabstandet. Der Trägerchip 20 weist dann nach dem Einbringen der Gräben 80a, 80b noch eine vergleichsweise hohe mechanische Festigkeit auf. Die Gräben 80a, 80b können einen von einer geraden Linie abweichenden Verlauf aufweisen, beispielsweise einen gekrümmten Verlauf Sie können auch bogenförmig gekrümmt sein und sich gegebenenfalls entlang von Segmenten einer Kreislinie erstrecken.
Die Gräben 80a, 80b sind in der Ausgestaltung des Drucksensors 10 von 1, 2A, 2B und 3 in die dem Festkörper 50 abgewandt gegenüberliegende Oberfläche 20u des Trägerchips 20 eingebracht. Die Gräben 80a, 80b können von der Rückseite 20l des Trägerchips 20 beabstandet sein. Es ist aber auch möglich, dass sich die Gräben 80a, 80b als Durchbrüche ausgestaltet sind, die den Trägerchip 20 quer und ggfs. rechtwinklig zu seiner Trägerchipebene durchsetzen. In diesem Fall befindet sich die tiefste Stelle der Gräben 80a, 80b auf oder in dem Festkörper 50 mit Abstand zu dessen Rückseite. Die Gräben 80a, 80b können bei der Herstellung des Drucksensors 10 durch reaktives lonenätzen wie in 5A–5E erläutert in den Trägerchip 20 eingebracht werden. Es sind aber auch andere Herstellungsverfahren möglich, wie z.B. Laserablation oder Fräsen.
In 1 und 2A ist erkennbar, dass das Sensorelement 30 zwischen den Gräben 80a und 80b angeordnet ist. Dabei befindet sich der Flächenschwerpunkt des Sensorelements 30 in der Aufsicht auf die Trägerchipebene symmetrisch zwischen den Gräben 80a und 80b, zum Beispiel etwa im Flächenschwerpunkt des zwischen den Gräben 80a und 80b befindlichen Oberflächenbereichs 20u des Trägerchips 20.
Bei dem in 1 und 2A gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 30 für die Differenz zwischen der mechanischen Normalspannung δ_x in einer normal zur x-Achse angeordneten ersten Ebene und der mechanischen Normalspannung δ_y in einer normal zur y-Achse ausgerichteten zweiten Ebene empfindlich.
Beim Einwirken einer Druckänderung auf den Drucksensor 10 tritt aufgrund der unterschiedlichen Elastizitätsmodule des Trägerchips 20 und des Festkörpers 50 eine Änderung der mechanischen Spannung in dem Trägerchip 20 auf. Diese mechanische Spannung wird zwischen den Gräben 80a, 80b konzentriert. Die mechanische Spannung verursacht eine Änderung der elektrischen Widerstandswerte der piezoresistiven Widerstände 33a–d bzw. Feldeffekttransistoren 37a–d. Diese Änderung der elektrischen Widerstandswerte resultiert in einer Änderung der zwischen den Messsignalanschlüsse des Sensorelements 30 anliegenden elektrischen Spannung.
Der in 3 und 4 gezeigte Drucksensor 10 unterscheidet sich von dem in 1, 2A und 2B abgebildeten Drucksensor dadurch, dass die Haupterstreckungsrichtung der Gräben 80a, 80b in der Aufsicht auf die Trägerchipebene unter einem Winkel von 45° zur x-Achse angeordnet ist. Deutlich ist erkennbar, dass die x-Achse und die y-Achse in der Trägerchipebene jeweils einen Winkel von 45° mit einem Außenrandbereich oder einer Außenkante des Trägerchips 20 einschließen. Die Abmessungen und der Abstand der Gräben 80a, 80b stimmen z.B. mit den entsprechenden Maßen des in 1, 2A und 2B gezeigten Ausführungsbeispiels überein. Entsprechendes gilt für die Außenabmessungen des Trägerchips 20 und des Festkörpers 50.
Das Sensorelement 30 ist auch bei dem in 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen den Gräben 80a und 80b angeordnet, wobei sich der Mittelpunkt des Sensorelements 30 in der Aufsicht auf die Trägerchipebene etwa im Schwerpunkt des zwischen den Gräben 80a und 80b befindlichen Oberflächenbereichs 20u des Trägerchips 20 befindet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und 4 ist das Sensorelement 30 empfindlich für oder ansprechend auf eine Schubspannung, die sich auf in der Trägerchipebene liegende x- und y-Achsen bezieht, bei denen die x-Achse in der Aufsicht auf die Trägerchipebene unter einem Winkel von +45° und die y-Achse unter einem Winkel von –45° zur Haupterstreckungsrichtung der Gräben 80a, 80b angeordnet ist. Diese Ausgestaltung des Drucksensors 10 ermöglicht dann eine hohe Messempfindlichkeit für die zwischen den Gräben 80a, 80b auftretende Schubspannung.
Bei einem Drucksensor 10, bei dem der Trägerchip 20 ein Siliziumsubstrat mit einem richtungsabhängigen Elastizitätsmodul zwischen 130 und 168 GPa aufweist und bei dem der Festkörper aus Borsilikatglas mit einem Elastizitätsmodul von 68 GPa besteht, hat die quadratische Grundfläche eine Seitenlänge B, wobei der Quotient D/B aus der Dicke D des Festkörpers und der Seitenlänge B größer als 0.5 sein sollte und in einer Ausführungsform größer als 1.5 ist. Durch diese Maßnahme kann die Messempfindlichkeit des Drucksensors 10 weiter gesteigert werden. Unter der Dicke D wird die Abmessung des Festkörpers 50 in einer normal zur Trägerchipebene verlaufenden Richtung verstanden.
In dem dargestellten, nicht beschränkenden Ausführungsbeispiel hat der Trägerchip 20 hat eine Schichtdicke S von etwa 100 µm und eine Seitenlange B von etwa 1 mm. Dadurch ergibt sich eine normierte Schichtdicke S/B = 0,1. Im Allgemeinen sollte die normierte Schichtdicke S/B kleiner als 0,1 sein. Die Seitenlänge des Festkörpers 50 entspricht der des Trägerchips 20. Die Dicke des Festkörpers 50 beträgt etwa 1 mm. Diese entspricht einer normierten Schichtdicke D/B = 1.
5A–5E zeigen ein Herstellungsverfahren zur möglichen Herstellung des Drucksensors 10. Zunächst wird ein Wafer 90 bereitgestellt, in dessen Vorderseite 90a eine Vielzahl der Sensorelementen 30 integriert sind. Diese Sensorelementen 30 werden mit herkömmlicher CMOS-Technologie in dem Wafer 90 hergestellt. Der Wafer 90 wird an seiner Rückseite 90l poliert (9A). Außerdem wird ein Plättchen 92 aus Borsilikatglas bereitgestellt.
Die Rückseite 90l des Wafers 90 wird flächig mit einem Oberflächenbereich des Plättchens 92 in Kontakt gebracht und durch anodisches Bonden fest mit diesem Plättchen 92 verbunden (5B).
Dann wird eine Ätzmaske 94 fotolithographisch auf die dem Plättchen 92 abgewandte Vorderseite 90u des Wafers 90 aufgebracht (5C). Die Ätzmaske 94 weist an den Stellen, an denen Gräben 80a, 80b in den Wafer 90 eingebracht werden sollen, Unterbrechungen 96 auf.
Danach wird im Bereich der Unterbrechungen 96 der Wafer mit einem Ätzmittel in Kontakt gebracht, das durch eine chemische / physikalische Reaktion Material vom Wafer 90 abträgt, um die Gräben 80 in den Wafer 90 einzubringen (s. 5D, wobei die Gräben 80 in dieser Figur nicht vollständig geätzt sind).
Dann werden das Ätzmittel und die Ätzmaske 94 entfernt und die Drucksensoren 10 werden von der so erhaltenen Schichtanordnung abgetrennt, indem diese entlang vorbestimmter Trennlinien 98 zerteilt wird (5E).
Der Drucksensor 10 ist vor allem für hohe Drücke geeignet. Er weist eine hohe Überlastfestigkeit auf.
In dem Bereich zwischen den Gräben 80a, 80b wird bei einer Beaufschlagung des Drucksensors 10 mit einem Über- oder Unterdruck die mechanische Spannung konzentriert. Daher ist durch die Anordnung des Sensorelements 30 zwischen den Gräben die Messempfindlichkeit des Drucksensors 10 gesteigert.
6A–6H zeigen jeweils eine verwendbare Wheatstone’sche Brücke des Sensorelementes 30 mit einer Vorspannungsschaltung 40. Wie oben erwähnt ist die Wheatstone’sche Brücke aus vier piezoresistiven Widerständen 33a–d (6A–6C, 6G) oder vier Feldeffekttransistoren 37a–37d (6D–6F, 6H) gebildet. Die Wheatstone’sche Brücke hat eine Versorgungsspanne Vc und die Messspannung wird über den Mittelpunkt zwischen den Widerständen 33a und 33c sowie 33b und 33d bzw. Feldeffekttransistoren 37a und 37c sowie 37b und 37d abgegriffen. Der Einfachheit halber sind die zwei Leiterbahnen mit den jeweils zwei piezoresistiven Widerstände der Wheatstone’schen Brücke in 6A–6H parallel dargestellt. Diese Leiterbahnen sowie die stresssensitiven Widerstände sind auf dem Trägerchip wie für eine Wheatstone’sche Messbrücke üblich jeweils um 90° zueinander angeordnet.
6A zeigt eine Ausführungsform, bei der die Versorgungsspannung Vc eine konstante Spannung ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von 6B wird die Versorgungsspannung Vc addiert mit einer temperaturabhängigen Spannung Vs. Diese temperaturabhängige Spannung Vs ermöglicht die Kompensation der Messergebnisse des Sensorelementes 30 durch Temperaturabweichungen in dem Drucksensor 10. Die temperaturabhängige Komponente der Spannung Vs (T) wird durch eine nicht dargestellte Spannungsquelle erzeugt.
In dem Ausführungsbeispiel von 6C wird ein Thermistor 42 in der Vorspannungsschaltung 40 eingebracht. Dieser Thermistor 42 sorgt dafür, dass die an der Wheatstone’schen Brücke angelegte Spannung Vc aufgrund von Temperaturschwankungen in dem Drucksensor 10 ausgeglichen wird.
Es ist auch möglich, die Widerstände 33a–33d durch die Feldeffekttransistoren (FET) 37a–37d zu ersetzen, wie in 6D dargestellt. Diese Piezo-FETs 37a–37d werden ebenfalls in CMOS-Technologie hergestellt. Die Piezo-FETs 37a–37d haben den Vorteil, dass ihre Empfindlichkeitsänderung bei Temperaturschwankungen und konstanter Gate-Spannung nicht sehr hoch ist. Eine weitere Lösung ist in 6E dargestellt, bei der die Gate-Spannung der Piezo-FETs 37a–37d temperaturabhängige angesteuert werden. Jeder der Piezo-FETs 37a–37d ist für sich allein individuell durch eine entsprechende Gate-Spannung einstellbar.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Versorgungsspannung Vc zusätzlich mit einem temperaturabhängigen Spannung Vs (T) ergänzt, wie in 6F dargestellt.
Eine weitere Ausführungsform ist in 6G dargestellt, bei der die Versorgungsspannung Vc mit einer ersten temperaturabhängigen Versorgungsspannung Vs (T) und einer zweiten temperaturabhängigen Versorgungsspannung Vo (T) entsprechend erweitert wird. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Spannung in den beiden Armen der Wheatstone’schen Brücke 40 individuell eingestellt werden. Mittels der Versorgungsspannung Vs (T) kann eine temperaturabhängige Empfindlichkeitsänderung der Wheatstone’sche Brücke kompensiert werden, während die Vorsorgespannung Vo (T) einen möglichen temperaturabhängigen Offset der Brücke abgleicht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6H dargestellt, bei dem die Versorgungsspannungen der beiden Leiterbahnen der Wheatstone’schen Brücke individuell einstellbar sind und die Widerstände 33a–33d durch die temperaturgeregelten Piezo-FETs 33a–33d ersetzt sind.
Die Vorspannungsschaltung 40 der Figuren 60A–60H kann auch in einem Drucksensor 10 verwendet werden, der keine Gräben 80a, 80b aufweist. In diesem Fall wird das Sensorelement 30 ca. mittig auf der Oberfläche 20u des Trägerchips 20 angebracht, wobei die Lage des Sensorelements 30 nicht einschränkend ist und das Sensorelement 30 auch an einer anderen Position des Trägerchips 20 angebracht werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Trägerchip 20 zwei Paar Gräben 80a, 80b mit jeweils einem oder mehreren Sensorelementen 30 auf der Oberfläche 20u aufweisen, wie in 2C zu erkennen ist. Diese Anordnung der Gräber 80a und 80b ermöglicht auch eine Funktion des Drucksensors 10 bei mechanischen oder elektrischen Beschädigung eines der Sensorelementen 30.
7 zeigt eine Anwendung des Drucksensors 10 in einem sogenannten Speichereinspritzsystem (Common-Rail-System) als ein Einspritzsystem für einen Verbrennungsmotor. Das Speichereinspritzsystem hat einen Treibstoffspeicher 100, welcher mit einer Vielzahl von Einspritzdüsen 130 über ein Treibstoff-Verteilerrohr 120 verbunden ist. Die Einspritzdüsen 130 haben Ventile 150, welche das Einspritzen des Treibstoffs in einen jeweiligen Zylinder 160 regeln. Jeder der Einspritzdüsen 130 verfügt über einen Drucksensor 10, welcher den Druck in dem Zylinder 160 misst und somit die Einspritzmenge des Treibstoffs steuert. Eine Steuerungseinheit 160 ist mit den jeweiligen Drucksensoren 110 und Ventilen 150 verbunden und kann den Zufluss steuern.
Bezugszeichenliste

10: Drucksensor
20: Trägerchip
20u: Oberfläche
20l: Rückseite
25: Außenrand
30a, b: Sensorelement
33a–d: Widerstand
37a–d: Feldeffekttransistoren
40: Vorspannungs-Schaltung
42: Thermistor
50: Festkörper
50l: Rückseite des Festkörpers
80a, b: Graben
90: Wafer
90u: Vorderseite
90l: Rückseite
92: Plättchen
94: Ätzmaske
96: Unterbrechung
98: Trennlinie
100: Speichereinspritzsystem
110: Treibstoff-Verteilerrohr
130: Einspritzdüsen
140: Pumpe
150: Ventil
160: Steuerungsventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19963786 A1 [0002]
DE 4137624 A [0004]
DE 19963786 A [0005]
US 5095762 [0005]
WO 2009/028283 A1 [0005]
EP 0548907 B1 [0005]
EP 0793082 B1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dissertation „Robust Piezoresistive CMOS Sensor Microsystems“, Marc Baumann, April 2013, Der Andere Verlag, ISBN 978-3-86247-354-0 [0003]

Claims

Drucksensor (10) umfassend: einen Festkörper (50); einen Trägerchip (20), der mit dem Festkörper (50) verbunden ist und mindestens zwei Gräben (30a, 30b) aufweist; mindestens ein Sensorelement (20a, 20b), das zwischen den zwei Gräben (30) angeordnet ist; und mindestens eine Vorspannungs-Schaltung (40), die mit dem mindestens einen Sensorelement (20a, 20b) oder mit mehreren der Sensorelemente (20a, 20b) verbunden ist.
Drucksensor (10) nach Anspruch 1, wobei zwei Sensorelemente (20a, 20b) zwischen den mindestens zwei Gräben (30a, 30b) angeordnet sind.
Drucksensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Sensorelement (30a, 30b) eine Wheatstone-Brücke bildet/enthält.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerchip (20) ein Elastizitätsmodul aufweist, das unterschiedlich zum Elastizitätsmodul des Festkörpers (50) ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der mindestens zwei Gräben (30a, 30b) sich bis zu einem Außenrand (25) des Trägerchips (20) erstreckt.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Trägerchip (20) eine Dicke (S) von weniger als 100 um aufweist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspannung-Schaltung (40) eine temperaturabhängige Vorspannung erzeugt.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspannungs-Schaltung (40) einen Thermistor (42) mit einem negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sensorelement (20) aus Feldeffekttransistoren (37a–d) gebildet ist oder solche enthält.
Drucksensor (10) nach Anspruch 9, wobei Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren (37a–d) individuell steuerbar sind.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorspannungs-Schaltung (40) für zwei unterschiedliche Versorgungs-Spannungen (Vs, Vo) ausgelegt ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längserstreckungsrichtungen (32a, 32b) von zwei der Gräben (30a, 30b) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Speichereinspritzungssystem (100) umfassend: einen Treibstoffspeicher (110); eine Vielzahl von Einspritzdüsen (130), die über einen Treibstoff-Verteilerrohr (120) mit dem Treibstoffspeicher (110) verbunden sind, wobei mindestens zwei der Vielzahl der Einspritzdüsen (130) jeweils einen Drucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweisen.
Speichereinspritzungssystem (100) umfassend: einen Treibstoffspeicher (110); eine Vielzahl von Einspritzdüsen (130), die über einen Treibstoff-Verteilerrohr (120) mit dem Treibstoffspeicher (110) verbunden sind, wobei mehrere der Vielzahl der Einspritzdüsen (130) jeweils einen Drucksensor (10) aufweisen und wobei, der Drucksensor (10) umfasst: einen Festkörper (50); einen Trägerchip (20), der mit dem Festkörper (50) verbunden ist; mindestens ein Sensorelement (20a, 20b) auf der Oberfläche (20c) des Trägerchips; und mindestens eine Vorspannungs-Schaltung (40), die mit dem mindestens einen Sensorelement (20a, 20b) oder mit mehreren der Sensorelemente (20a, 20b) verbunden ist.
Drucksensor (10) umfassend: einen Festkörper (50); einen Trägerchip (20), der mit dem Festkörper (50) verbunden ist und mindestens zwei Gräben (30a, 30b) aufweist; und zwei Sensorelemente (20a, 20b), die zwischen den zwei Gräben (30) angeordnet sind.
Drucksensor (10) umfassend: einen Festkörper (50); einen Trägerchip (20), der mit dem Festkörper (50) verbunden ist; mindestens ein Sensorelement (20a, 20b) auf der Oberfläche (20c) des Trägerchips; und mindestens eine Vorspannungs-Schaltung (40), die mit dem mindestens einen Sensorelement (20a, 20b) oder mit mehreren der Sensorelemente (20a, 20b) verbunden ist.