DE102015222756A1 - Sensorelement für einen Drucksensor - Google Patents

Sensorelement für einen Drucksensor Download PDF

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Abstract

Sensorelement (100) für einen Drucksensor, aufweisend: – eine Sensormembran (10), auf der eine definierte Anzahl von Piezowiderständen (R1...Rn) angeordnet sind, wobei die Piezowiderstände (R1...Rn) in einer Schaltung derart angeordnet sind, dass im Falle einer Druckänderung eine elektrische Spannungsänderung generierbar ist; – wenigstens zwei Temperaturmesselemente (T1...Tn), die in Relation zur Sensormembran (10) derart angeordnet sind, dass mit den Temperaturmesselementen (T1...Tn) Temperaturen der Sensormembran (10) an Positionen der Piezowiderstände (R1...Rn) messbar sind, wobei eine an der Schaltung der Piezowiderstände (R1...Rn) aufgrund eines Temperaturgradienten anliegende elektrische Spannung mit den gemessenen Temperaturen rechnerisch kompensierbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Drucksensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements für einen Drucksensor.
  • Stand der Technik
  • Piezoresistive Drucksensoren bestehen in der Regel aus einem Sensorelement (engl. sensor-die) mit einer Membran. Auf dieser Membran befinden sich beispielsweise vier stresssensitive Piezowiderstände, die als eine elektrische Brückenschaltung verschaltet sind.
  • Liegt ein Temperaturgradient über dem Sensorelement an, bedeutet dies, dass die Piezowiderstände aufgrund unterschiedlicher Temperaturen unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Dies kann zu einer Änderung der elektrischen Brückenspannung aufgrund eines Temperaturgradienten führen, die von einer Änderung der elektrischen Brückenspannung aufgrund anliegenden Drucks nicht unterschieden werden kann. Dabei können bereits wenige Millikelvin zu einer Abweichung der elektrischen Brückenspannung führen, die einigen Pascal Druckänderung entspricht.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber Temperaturänderungen verbessertes Sensorelement für einen Drucksensor bereitzustellen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Sensorelement für einen Drucksensor, aufweisend:
    • – eine Sensormembran, auf der eine definierte Anzahl von Piezowiderständen angeordnet sind, wobei die Piezowiderstände in einer Schaltung derart angeordnet sind, dass im Falle einer Druckänderung eine elektrische Spannungsänderung generierbar ist;
    • – wenigstens zwei Temperaturmesselemente, die in Relation zur Sensormembran derart angeordnet sind, dass mit den Temperaturmesselementen Temperaturen der Sensormembran an Positionen der Piezowiderstände messbar sind, wobei eine an der Schaltung der Piezowiderstände aufgrund eines Temperaturgradienten anliegende elektrische Spannung mit den gemessenen Temperaturen rechnerisch kompensierbar ist.
  • Dadurch ist es vorteilhaft möglich, in Vorrichtungen mit barometrischen Drucksensoren (z.B. Mobiltelefonen) einen Einfluss eines Temperaturgradienten auf den Drucksensor zu kompensieren. Im Ergebnis ist dadurch vorteilhaft eine genauere Druckmessung unterstützt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements für einen Drucksensor, aufweisend die Schritte:
    • – Bereitstellen einer Sensormembran;
    • – Bereitstellen einer definierten Anzahl von Piezowiderständen und Anordnen der Piezowiderstände auf der Sensormembran in einer Schaltung derart, dass im Falle einer Druckänderung eine elektrische Spannungsänderung generierbar ist;
    • – Bereitstellen von wenigstens zwei Temperaturmesselementen und Anordnen der wenigstens zwei Temperaturmesselemente in Relation zur Sensormembran derart, dass mit den Temperaturmesselementen Temperaturen der Sensormembran an Positionen der Piezowiderstände messbar sind, wobei eine an der Schaltung der Piezowiderstände aufgrund eines Temperaturgradienten anliegende elektrische Spannung mittels der gemessenen Temperaturen rechnerisch kompensierbar ist.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des Sensorelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung des Sensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Temperaturmesselement auf der Sensormembran angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Sensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Temperaturmesselement neben der Sensormembran angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Sensorelements ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesselement in jedem Eckbereich der Sensormembran angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Sensorelements ist dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Piezowiderstand in einem definierten Abstand jeweils ein Temperaturmesselement angeordnet ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Sensorelements zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Temperaturmesselemente im Wesentlichen entlang eines Verlaufs eines Temperaturgradienten der Sensormembran angeordnet sind.
  • Mit den genannten unterschiedlichen Anordnungs- bzw. Anzahlkriterien für die Temperaturmesselemente, die auch geeignet kombinierbar sind, kann die Platzierung der Temperaturmesselemente am Sensorelement anwendungsspezifisch vorgenommen werden, wobei die Platzierung insbesondere davon abhängen kann, ob ein auf der Sensormembran herrschender Temperaturgradient wenigstens teilweise bekannt ist. Dies ist zum Beispiel bei Vorhandensein einer elektronischen Auswerteschaltung am Sensorelement der Fall, deren Heizcharakteristik in der Regel bekannt ist. Auf diese Weise ist eine Ermittlung von Temperaturwerten der Sensormembran an Positionen der Piezowiderstände möglich, wodurch eine gute Kompensationswirkung unterstützt ist.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Sensorelements sind dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesselemente Dioden oder piezoinsensitive Widerstände sind. Dadurch werden unterschiedliche Arten von Temperaturmesselementen bereitgestellt, die vorteilhaft in einem gemeinsamen Prozessschritt mit den Piezowiderstände hergestellt werden können. Vorteilhaft kann dadurch ein Herstellungsprozess für das Sensorelement optimiert werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
  • Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zur Herstellung des Sensorelements in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen des Sensorelements ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
  • 1 eine prinzipielle Darstellung eines herkömmlichen piezoresistiven Sensorelements;
  • 2 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements;
  • 3 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements;
  • 4 eine prinzipielle Darstellung eines Kompensationseffekts, der mit den Temperaturmesselementen erzielbar ist;
  • 5 eine prinzipielle Darstellung einer Sensorvorrichtung mit dem Sensorelement; und
  • 6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, unterschiedliche Widerstandswerte von Piezowiderständen eines piezoresistiven Sensorelements aufgrund einer Wirkung eines über einer Sensormembran des Sensorelements verlaufenden Temperaturgradienten zu kompensieren. Ein Temperaturgradient von wenigen mK über der Sensormembran kann zu einer Abweichung der elektrischen Brückenspannung führen, die einigen Pa entspricht und dadurch eine ungenaue Druckmessung zur Folge hat.
  • Mithilfe wenigstens zweier Elemente zur Temperaturmessung (zum Beispiel in Form von temperatursensitiven Dioden, temperatursensitiven Widerständen, usw.) kann der Temperaturgradient über der Sensormembran bzw. über dem Sensorelement bestimmt werden. In Kenntnis dieses Temperaturgradienten ist es möglich, die genannte Abweichung der elektrischen Brückenspannung rechnerisch mit bekannten Verfahren zu kompensieren.
  • 1 zeigt schematisch ein herkömmliches Sensorelement 100 mit einer Sensormembran 10, auf der vier piezosensitive Widerstände bzw. Piezowiderstände R1...R4 angeordnet sind, wobei jeweils ein Piezowiderstand R1...R4 an jeweils einem Seitenabschnitt der Sensormembran 10 angeordnet ist, wobei die Piezowiderstände R1...R4 miteinander elektrisch zu einer Brückenschaltung (nicht dargestellt) verschaltet sind. Durch eine Änderung eines Drucks (z.B. aufgrund von geänderter Höhe über Meeresgrund) auf die Sensormembran 10 lenkt sich diese aus, wodurch ein mechanischer Stress am Ort der Piezowiderstände R1...R4 entsteht. Dies führt zu einer Änderung des Widerstandswerts der Piezowiderstände R1...R4, wobei bei geeigneter Orientierung bzw. Anordnung der Piezowiderstände R1...R4 auf der Sensormembran 10 eine druckabhängige elektrische Ausgangsspannung generiert wird, die ausgewertet werden kann und ein Maß für den auf die Sensormembran 10 wirkenden Druck darstellt.
  • Herkömmliche Piezowiderstände zeigen jedoch nicht nur eine mechanische Stressabhängigkeit („Piezosensitivität“), sondern auch eine Temperaturabhängigkeit. Um diese ungewünschte Temperaturabhängigkeit, die sich in unerwünschten Widerstandsänderungen niederschlägt, zu kompensieren, befindet sich bei piezoresistiven Drucksensoren häufig auch ein Temperatursensor bzw. Temperaturmesselement T auf dem Sensorelement. In der Anordnung von 1 ist der genannte Temperatursensor T als eine Diode ausgebildet, die dazu dient, eine Temperatur des Sensorelements 100 zu erfassen.
  • 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements 100. Erkennbar sind vier Piezowiderstände R1...R4, die auf der Sensormembran 10 angeordnet sind, wobei jeweils ein Piezowiderstand R1...R4 an einem Seitenabschnitt der Sensormembran 10 angeordnet ist. Die piezoelektrischen Widerstände R1...R4 sind in Form einer Brückenschaltung elektrisch miteinander verschaltet. Angedeutet ist mittels unterschiedlicher Schraffuren ein auf der Sensormembran 10 von oben nach unten verlaufender Temperaturgradient. Zwei Temperaturmesselemente T1, T2, die als Dioden oder als im Wesentlichen piezoinsensitive bzw. stressunempfindliche Widerstände ausgebildet sind, sind neben der Sensormembran 10 derart angeordnet, dass sie Temperaturgradienten der Sensormembran 10 im Wesentlichen vollständigen abgreifen. Mit den beiden Temperaturmesselementen T1, T2 wird die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturmesselementen T1, T2 gemessen.
  • Die Temperaturmesselemente bzw. -sensoren T1, T2 sind an Stellen außerhalb bzw. knapp neben der Sensormembran 10 platziert, an denen ein ähnlicher Temperaturgradient anliegt bzw. vorherrscht, wie über die gesamte Sensormembran 10. In anderen Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Temperaturmesselemente T1, T2 möglichst nahe an die Piezowiderstände R1...R4 zu platzieren, damit auf diese Weise die Temperaturen an den Positionen der Piezowiderstände R1...R4 der Sensormembran 10 möglichst genau gemessen werden können.
  • Für den Fall, dass in einer Anwendung ein Temperaturgradient zwischen allen vier Piezowiderständen R1...R4 anliegt, können in einer Variante auch vier oder mehr Temperaturmesselemente T1...Tn auf dem Sensorelement 100 platziert werden. Diese können alternativ zu einer Platzierung neben der Sensormembran 10 auch auf der Sensormembran 10 angeordnet werden, beispielsweise in einer 45° Ausrichtung zu Seitenabschnitten der Sensormembran 10, um dadurch eine Druckempfindlichkeit zu minimieren, wie in einer in 3 gezeigten Variante des Sensorelements 100 mit den Piezowiderständen R1...R4 und den Temperaturmesselementen T1...T4.
  • Ist der Temperaturgradient zwischen den Temperaturmesselementen T1...Tn bekannt, kann auf diese Weise ein elektrisches Signal, das durch den Temperaturgradienten zwischen den Piezowiderständen R1...R4 hervorgerufen wird, kompensiert werden. Die Kompensation kann beispielsweise mittels einer elektronischen Auswerteschaltung (z.B. ein ASIC, nicht dargestellt) erfolgen, die die erfasste Temperaturspannung im Vergleich mit der elektrischen Spannung der Piezowiderstände R1...Rn verarbeitet. Beispielsweise mittels einer quadratischen Regression kann nun die tatsächliche Temperaturdifferenz zwischen den Piezowiderständen R1...R4 berechnet werden.
  • Ein bestehender Restfehler für verschiedene Prozessvariationen ist in 4 über der zwischen den Piezowiderständen R1 und R4 anliegenden tatsächlich anliegenden Temperaturdifferenz dargestellt. Auf der x-Achse ist der Temperaturgradient in mK vor der Kompensation dargestellt, auf der y-Achse ist der Temperaturgradient nach der Kompensation dargestellt. Man erkennt, dass ein Restfehler von ca. ±5 mK auf ca. ±1 mK reduziert wird.
  • 5 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung 200 mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement 100. Die Sensorvorrichtung 200 kann als ein sogenannter Umweltsensor (engl. environmental sensor) ausgebildet sein, der ein Sensormodul repräsentiert, mit dem verschiedene Parameter der Umwelt erfassbar sind, wie beispielsweise Temperatur, Luftdruck, Feuchte, Luftqualität, usw. Vorteilhaft ist es mit der Anordnung des Sensorelements 100 möglich, den Einfluss der Temperatur auf das Druckmesselement weitestgehend zu eliminieren.
  • 6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In einem Schritt 300 wird eine Sensormembran 10 bereitgestellt.
  • In einem Schritt 310 wird eine definierte Anzahl von Piezowiderständen R1...Rn bereitgestellt, die auf der Sensormembran 10 in einer Schaltung derart angeordnet werden, dass im Falle einer Druckänderung eine elektrische Spannungsänderung generierbar ist.
  • Schließlich wird in einem Schritt 320 ein Bereitstellen von wenigstens zwei Temperaturmesselementen T1...Tn und ein Anordnen der wenigstens zwei Temperaturmesselemente T1...Tn in Relation zur Sensormembran 10 derart durchgeführt, dass mit den Temperaturmesselementen T1...Tn Temperaturen der Sensormembran 10 an Positionen der Piezowiderstände messbar sind, wobei eine an der Schaltung der Piezowiderstände R1...Rn aufgrund eines Temperaturgradienten anliegende elektrische Spannung mittels der gemessenen Temperaturen rechnerisch kompensierbar ist.
  • Es sei erwähnt, dass die Verfahrensschritte zum Herstellen des Sensorelements 100 auch in anderen Reihenfolgen ausgeführt werden können.
  • Zusammenfassend werden mit der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement für einen Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensorelements vorgeschlagen, mit dem ein Temperatureinfluss auf einen piezoresistiven Drucksensor weitestgehend eliminierbar bzw. minimierbar ist. Vorteilhaft können mit dem vorgeschlagenen Sensorelement Temperatureinflüsse von Temperaturgradienten weitgehend kompensiert und dadurch eine Druckmessgenauigkeit bedeutend erhöht sein.
  • Im Ergebnis ist dadurch mit einem Drucksensor, der das Sensorelement aufweist, eine genauere Messung von Drücken möglich. Vorteilhaft ist die Temperaturkompensierung sowohl möglich, wenn der Temperaturgradient gut bekannt ist (beispielsweise bei Vorhandensein eines heizenden elektronischen Bauelements auf dem Sensor), als auch im Falle, dass der Temperaturgradient nicht bekannt ist.
  • Durch eine geeignete Positionierung einer geeigneten Anzahl von Temperaturmesselementen kann der Einfluss des Temperaturgradienten anwendungsspezifisch eliminiert werden. Dabei kann in Abhängigkeit eines Grads einer Inhomogenität des Temperaturverlaufs über der Sensormembran eine Anzahl von Temperaturmesselementen variieren.
  • Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung auch auf andere, ähnlich aufgebaute Sensorelemente anwendbar ist.
  • Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims (13)

  1. Sensorelement (100) für einen Drucksensor, aufweisend: – eine Sensormembran (10), auf der eine definierte Anzahl von Piezowiderständen (R1...Rn) angeordnet sind, wobei die Piezowiderstände (R1...Rn) in einer Schaltung derart angeordnet sind, dass im Falle einer Druckänderung eine elektrische Spannungsänderung generierbar ist; – wenigstens zwei Temperaturmesselemente (T1...Tn), die in Relation zur Sensormembran (10) derart angeordnet sind, dass mit den Temperaturmesselementen (T1...Tn) Temperaturen der Sensormembran (10) an Positionen der Piezowiderstände (R1...Rn) messbar sind, wobei eine an der Schaltung der Piezowiderstände (R1...Rn) aufgrund eines Temperaturgradienten anliegende elektrische Spannung mit den gemessenen Temperaturen rechnerisch kompensierbar ist.
  2. Sensorelement (100) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperaturmesselement (T1...Tn) auf der Sensormembran (10) angeordnet ist.
  3. Sensorelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperaturmesselement (T1...Tn) neben der Sensormembran (10) angeordnet ist.
  4. Sensorelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmesselement (T1...Tn) in jedem Eckbereich der Sensormembran (10) angeordnet ist.
  5. Sensorelement (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Piezowiderstand (R1...Rn) in einem definierten Abstand jeweils ein Temperaturmesselement (T1...Tn) angeordnet ist.
  6. Sensorelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Temperaturmesselemente (T1, T2) im Wesentlichen entlang eines Verlaufs eines Temperaturgradienten der Sensormembran (10) angeordnet sind.
  7. Sensorelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesselemente (T1...Tn) Dioden sind.
  8. Sensorelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesselemente (T1...Tn) piezoinsensitive Widerstände sind.
  9. Sensorvorrichtung (200) aufweisend ein Sensorelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (100) für einen Drucksensor, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen einer Sensormembran (10); – Bereitstellen einer definierten Anzahl von Piezowiderständen (R1...Rn) und Anordnen der Piezowiderstände (R1...Rn) auf der Sensormembran (10) in einer Schaltung derart, dass im Falle einer Druckänderung eine elektrische Spannungsänderung generierbar ist; – Bereitstellen von wenigstens zwei Temperaturmesselementen (T1...Tn) und Anordnen der wenigstens zwei Temperaturmesselemente (T1...Tn) in Relation zur Sensormembran (10) derart, dass mit den Temperaturmesselementen (T1...Tn) Temperaturen der Sensormembran (10) an Positionen der Piezowiderstände (R1...Rn) messbar sind, wobei eine an der Schaltung der Piezowiderstände (R1...Rn) aufgrund eines Temperaturgradienten anliegende elektrische Spannung mittels der gemessenen Temperaturen rechnerisch kompensierbar ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei als Temperaturmesselemente (T1...Tn) Dioden oder piezoinsensitive Widerstände verwendet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Temperaturmesselemente (T1...Tn) auf der Sensormembran (10) oder neben der Sensormembran (10) derart angeordnet werden, dass mit ihnen Temperaturen an Positionen der Piezowiderstände (R1...R4) messbar sind.
  13. Verwendung eines Sensorelements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer Sensorvorrichtung (200) mit einem Drucksensor.
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