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Die Erfindung bezieht sich auf einen Messsensor zur Dehnungsmessung, der ein Halbleitersubstrat aus einem Siliziumkristall und mind. einen piezoresistiven Messwiderstand aufweist, der im Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Herstellen solchen Messsensors zur Dehnungsmessung.
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Messsensoren zur Dehnungsmessung auf Halbleiterbasis haben sich zur hochempfindlichen Messung von Druck, Beschleunigung, Neigung etc. bewährt. Dabei wird ein Messwiderstand gedehnt, um ein Messsignal zu erzeugen. Meist werden mehrere Messsensoren zu einer Brücke verschaltet. Der eingeführte Begriff „Dehnung“ wird üblicherweise und auch hier im Sinne von „mechanischer Spannung“ verstanden. Er umfasst also sowohl Zugspannung als auch Druckspannung (sog. Stauchung). Der üblicherweise streifenförmige, piezoresistive Messwiderstand ist i.d.R. durch eine Dotierung des Halbleitersubstrats erzeugt und hat eine hohe Empfindlichkeit auf mechanische Spannung. Solche Messwiderstände besitzen in der Regel im Wesentlichen die betragsmäßig gleiche Piezoresistivitätskonstante in Bezug auf die Stromrichtung in zwei orthogonal zueinander liegenden Richtungen. Man spricht von Longitudinaleffekt und Transversaleffekt. Sie haben allerdings verschiedene Vorzeichen. Bei positiver mechanischer Spannung in Längsrichtung wird der Longitudinaleffekt den elektrischen Widerstand vergrößern und bei positiver mechanischer Spannung in Querrichtung vermindern. Man bildet deshalb einen streifenförmigen Messwiderstand und ordnet ihn bei der Messung so an, dass eine Dehnung möglichst nur in Längsrichtung oder nur in Querrichtung erfolgt.
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Die Herstellung von Halbleiterdehnungsmesssensoren erfolgt üblicherweise aus Siliziumwafern, die eine <100>-Kristallorientierung der Oberfläche haben (sog. <1 00>-Wafer, vgl. auch Spezifikation SEMI M1, n-leitendes Grundmaterial mit p-leitenden piezoresistiven Messwiderständen), mit Technologien der Mikrosystemtechnik. Die Kristallebenen und Kristallrichtungen werden hier in der üblichen Nomenklatur der Miller-Indizes bezeichnet (vgl. M. Gad-el-Hak, „The MEMS Handbook“, Vol. 2, CRC Press LLC/Taylor & Francis, 2006, Kapitel 16.3.). Mit {-} wird eine Kristallebene (inklusive der symmetrisch äquivalenten Ebenen) bezeichnet, mit (-) eine Kristallebene. <-> bezeichnet eine Kristallrichtung (inklusive der symmetrisch äquivalenten Richtungen), [-] eine Kristallrichtung.
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Üblicherweise werden längserstreckte Messwiderstände als Messbrücke verschaltet, d.h. miteinander verbunden. Eine Anordnung auf einem Biegeelement, z. B. einer Biegeplatte, die allseitig eingespannt ist, ermöglicht eine Druck- oder Kraftmessung, denn das belastete Biegeelement weist Bereiche mit Druckspannung und Bereiche mit Zugspannung auf. Zwei längserstreckte Messwiderstände einer Messbrücke werden in den Bereichen mit Druckspannung, zwei in den Bereichen mit Zugspannung platziert, so dass die Durchbiegung des Biegeelementes zu einem Signal der Messbrücke führt. Diese Biegeelemente haben naturgemäß zu den mechanischen Spannungen in Längsrichtung des Messwiderstandes auch mechanische Spannungen quer dazu. Bei einer allseitig eingespannten Biegeplatte ist das unvermeidlich. Die optimale Anordnung der Messwiderstände muss deshalb für eine Messaufgabe passend so gewählt werden, dass mechanischen Spannungen in Längsrichtung des Messwiderstandes überwiegen, so dass diese Längsrichtung dann die Messrichtung ist. Denn mechanischen Spannungen in Querrichtung vermindern aufgrund des anderen Vorzeichens die Messspanne und erhöhen zudem die Temperaturabhängigkeit der Messbrücke. Die Applikationsanpassung ist somit aufwändig, um eine gewünschte Messrichtung zu erreichen. Ein weiterer Nachteil ist die fehlende Möglichkeit zur Spannungsanalyse, d.h. die Ermittlung einer Richtung, entlang der eine mechanische Spannung verläuft.
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Es sind auch Messsensoren auf Basis von Siliziumkristallmaterial bekannt, wobei eine Abhängigkeit der Koeffizienten für Longitudinaleffekt und Transversaleffekt von der Kristallrichtung des Wafers ausgenutzt wird. Hierzu wird auf die
EP 0 735 352 B1 ,
US 5 614 678 A1 oder
DE 39 40 861 A1 verwiesen. Die
DE 30 47 619 A1 betrifft einen Differenzdruckwandler auf Basis von Siliziumkristallmaterial. Die
DE 29 40 955 A1 und die nachveröffentlichte
DE 10 2019 129 411 A1 betreffen ebenfalls Messsensoren auf Basis von Siliziumkristallmaterial.
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Die
DD 2 41 782 A1 offenbart einen Messsensor zur Dehnungsmessung, der aufweist: einen einem Siliziumkristall in Form von [100]-Wafermaterial mit einem sich bei der Dehnungsmessung verformenden ausgedünnten Bereich, der als Biegeplatte dient, und einem diesen umgebenden massiven Randbereich, mehrere, jeweils längserstreckte Messwiderstände, die im Halbleitersubstrat ausgebildet sind und mind. einen ersten und einen zweiten Messwiderstand, die im Bereich der Biegeplatte angeordnet sind und miteinander zu einer ersten Brücke verschaltet sind, und einen weiteren Messwiderstand, umfassen wobei die Längserstreckung des weiteren Messwiderstands in der [110]-Kristallrichtung liegt und dieser weitere Messwiderstand im Bereich des massiven Randbereichs angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messsensor zu schaffen, der eine genauere Druckmessung erreicht.
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Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen.
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Ein Messsensor weist ein Halbleitersubstrat aus einem einkristallinen Siliziumkristall auf. Der Messsensor umfasst eine einstückige Einheit aus einem sich bei der Dehnungsmessung verformenden Biegeelement und einem dieses haltenden, bei der Dehnungsmessung steifen Halter. Bevorzugt ist das Biegeelement eine Biegeplatte und der Halter ein die Biegeplatte umgebender Rahmen. Soweit nachfolgend die Erfindung unter Bezugnahme auf Biegeplatte und Rahmen beschrieben wird, ist dies nur exemplarisch. Das Biegeelement verformt sich bei der Dehnungsmessung, der Halter hingegen ist vergleichsweise biegesteif und verformt sich nicht wesentlich, d.h. nicht so dass ein Messwiderstand ein störendes Signal erzeugen könnte. Die Einheit ist aus dem Halbleitersubstrat, d.h. aus einem Siliziumkristall gefertigt. Im Halbleitersubstrat sind mehrere jeweils längs erstreckte piezoresistive Messwiderstände ausgebildet. Diese umfassen eine erste Brücke, zu der ein erster und ein zweiter Messwiderstand miteinander verbunden sind. Diese erste Brücke und deren Messwiderstände sind im Bereich des Biegeelementes, nicht aber des Halters, angeordnet. Die Längserstreckung des ersten und des zweiten Messwiderstandes liegen jeweils in der <11 0>-Kristallrichtung des Siliziumkristalls. Erster und zweiter Messwiderstand erzeugen das eigentliche Messsignal der Dehnungsmessung. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist ein weiterer Messwiderstand vorgesehen, der im Bereich des Halters angeordnet ist und eine Längserstreckung in der <110>-Kristallrichtung des Siliziumkristalls hat. Durch die Ausrichtung in der <11 0>-Kristallrichtung erfasst der weitere Messwiderstand, wie noch erläutert werden wird, Dehnungen entlang der Longitudinalrichtung des Kristalls und in z-Richtung. Da der weitere Messwiderstand sich am biegesteifen Halter befindet, treten keine nennenswerten Longitudinaldehnungen auf, so dass dieser weitere Messwiderstand ausschließlich auf Dehnung in z-Richtung, empfindlich ist und damit den Absolutdruck erfasst. Der weitere Messwiderstand dient zur Erzeugung eines Absolutdrucksignals, nämlich wegen der Ausrichtung in <110>-Richtung.
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Bevorzugt sind zwei weitere Messwiderstände vorgesehen, nämlich in Form eines dritten Messwiderstandes, der in der <1 00>-Kristallrichtung orientiert ist und eines vierten Widerstandes, der in der <11 0>-Kristallrichtung orientiert ist, wobei die beiden Messwiderstände zu einer zweiten Brücke verschaltet sind. Auf diese Weise können sowohl eine Temperaturkompensation als auch eine Absolutdruckmessung erreicht werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist noch eine dritte Brücke vorgesehen, die einen fünften sowie einen sechsten Messwiderstand aufweist, die sich längs der <111 >-Kristallrichtung bzw. entweder der <100>- oder <11 0>-Kristallrichtung erstrecken. Es also in einer bevorzugten Variante vorgesehen eine zweite Brücke, zu der mindestens ein dritter und ein vierter Messwiderstand verschaltet sind, die im Bereich des biegesteifen Halters angeordnet sind. Die Längserstreckung des dritten Messwiderstandes verläuft entlang der <110>-Kristallrichtung des Siliziumkristalls und die Längserstreckung des vierten Messwiderstandes entlang der <100>-Kristallrichtung. Weiter ist eine dritte Brücke vorgesehen, zu der mindestens ein fünfter und ein sechster Messwiderstand verbunden sind, die ebenfalls im Bereich des Halters angeordnet sind. Die Längserstreckung des fünften Messwiderstandes verläuft entlang der <111 >-Kristallrichtung, wohingegen die Längserstreckung des sechsten Messwiderstandes entweder in der <100>- oder der <11 0>-Kristallrichtung verläuft.
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Die erste Brücke mit den ersten und zweiten Widerständen erzeugt, da sie auf der Biegeplatte angeordnet ist, das eigentliche Dehnungssignal, da sie Biegungen der Platte erfasst. Die anderen Brücken kompensieren Fehler und verbessern die Messgüte. Die zweite Brücke umfasst den dritten Widerstand, der aufgrund der Lage in der <11 0>-Kristallrichtung, longitudinal und in z-Richtung empfindlich ist. Der vierte Widerstand in der zweiten Brücke, welcher entlang der <100>-Richtung verläuft, ist mechanisch unempfindlich, und dient zur Temperaturkompensation. Durch die Positionierung auf dem Halter werden mechanische Spannungen in Richtung der <11 0>-Kristallrichtung minimiert. Die weitere Brücke auf dem Halter, also die dritte Brücke, dient zu Kompensation von mechanischen Verspannungen des Halters, die beispielsweise durch dessen Montage bedingt sein können. Der in <111 >-Richtung liegende fünfte Widerstand ist transversal, longitudinal und in z-Richtung empfindlich. Der sechste Widerstand entlang der <100>-Kristallrichtung dient zur Temperaturkompensation. Ist er in der <11 0>-Kristallrichtung angeordnet, dient er sowohl zur Kompensation von Temperatureffekten als auch zur Kompensation eines Longitudinaleffektes.
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Natürlich können einzelne oder alle der Brücken auch als Vollbrücke ausgebildet werden. Die erste Brücke hat dann zwei erste und zwei zweite Messwiderstände. Die zweite Brücke hat in diesem Fall zwei dritte und zwei vierte Messwiderstände. Die dritte Brücke hat zwei fünfte und zwei sechste Messwiderstände.
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Eine höhere Genauigkeit wird erreicht, indem mechanische Spannungen im Halbleitersubstrat, welche z.B. durch die Montage, mechanische Fremdbelastung und/oder thermisch induzierte mechanische Spannungen aufgrund verschiedener Ausdehnungskoeffizienten entstehen, nun erfasst werden. Sie können dann im Signal, das auf Basis der ersten Brücke erhalten wird, der kompensiert werden. Die mechanischen Spannungen im Halbleitersubstrat werden durch die zweite Brücke und die optionalen weiteren Brücken gemessen, insbesondere auf dem biegesteifen Rahmen und unter Verwendung von <110> n-Silizium mit p-dotierten Messwiderständen.
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Die Längsrichtungen folgen den jeweiligen Kristallrichtungen im Rahmen fertigungstechnisch bedingter Toleranzen, z.B. mit einer Genauigkeit von +/- 10°.
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Die Längserstreckung ist (z.B. bei streifenförmigen) Messwiderständen die Richtung, welche entlang der des Messwiderstands verläuft. Eine Anordnung in der {110}-Ebene des Siliziumkristalls erlaubt es, die Längsrichtung besonders einfach zur Kristallrichtung auszurichten. Dazu werden deshalb Wafer mit einem bestimmten Kristallmaterial verwendet, z.B. <110>-Si-Wafer im Sinne von SEMI M1.
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Die Ausrichtung der Längsrichtung gemäß der Kristallrichtung <110> oder <111 > hat zur Folge, dass der Messwiderstand einen piezoresistiven Koeffizienten im Wesentlichen nur eines Vorzeichens hat. Die gewählten Richtungen optimieren das Verhältnis von longitudinalem zu transversalem piezoresistiven Koeffizienten und minimieren damit die Empfindlichkeit auf Dehnungen quer zur Längsrichtung. Eine Querdehnung, also z.B. das Einbringen von mechanischen Spannungen entlang der Querrichtung des streifenförmigen Bereichs, wirkt sich im Signal nur noch um Größenordnungen niedriger aus, als bei herkömmlichen Halbleiterdehnungsmesssensoren. Zudem sind nun Spannungsanalysen möglich, da der Sensor zuverlässig nur die Dehnung in Belastung entlang der Messrichtung misst. Hier ist die Empfindlichkeit des Messwiderstands sehr viel größer als quer dazu. Dadurch sind die oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich Messspanne und Temperaturempfindlichkeit vermieden.
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In Ausführungsformen wird die Empfindlichkeit des Halbleiterdehnungsmesssensor auf mechanische Spannungen quer zur Messrichtung reduziert, indem <110>-Siliziumwafermaterial verwendet und der mind. eine Messwiderstand durch einen p-dotierten Bereich gebildet ist. Der Messwiderstand kann dabei entweder dadurch erzeugt werden, dass undotiertes oder n-dotiertes Wafermaterial strukturiert p-dotiert wird. Alternativ ist es möglich, bereits p-dotiertes Wafermaterial zu verwenden und dieses mit einem geeigneten mechanischen Bearbeitungsprozesses, z. B. einen Ätz-Prozess, so zu strukturieren, dass der Messwiderstand entlang seiner Längserstreckung freigestellt, also vom übrigen Material getrennt wird. Beispiele hierfür sind in das Material eingebrachte Gräben oder Durchtrennungen, die einen Volumenbereich im Siliziummaterial von entlang den Längsrändern benachbartem Material trennen. Die p-Dotierung zur Realisierung des Messwiderstands sollte für den Messwiderstand einen k-Faktor von mindestens 20 erzeugen.
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Soweit hier auf bestimmte Kristallrichtungen und -ebenen Bezug genommen wird, sind darin symmetrisch äquivalente Kristallrichtungen und -ebenen ausdrücklich eingeschlossen.
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Im Bereich der durch den Rahmen allseitig eingespannten Biegeplatte liegen immer piezoresistive Koeffizienten in longitudinaler und in transversaler Richtung vor. Die Messwiderstände werden dabei beim Aufbau der ersten (Voll-)Brücke derart positioniert, dass erster und zweiter Messwiderstand längs der Richtung mit dem maximalen Betrag des piezoresistiven Koeffizienten liegen. Dabei wird der mind. eine erste Messwiderstand in Zonen maximaler Zugspannung (z.B. im Zentrum der Biegeplatte) und der mind. eine zweite zwei Messwiderstände in Zonen maximaler Druckspannung (z.B. am Rand der Biegeplatte) angeordnet. Auf Querspannungen muss nicht mehr geachtet werden.
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Im Herstellverfahren wird der Messsensor mit in der Halbleiterproduktion bekannten Mitteln gefertigt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind.
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Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. In den Figuren zeigen:
- 1 schematisch die Herstellung einer Vorrichtung zur Dehnungsmessung mit einem Messsensor auf Siliziumbasis aus einem <110>-Material,
- 2 eine Schemadarstellung des Messsensors,
- 3 eine Draufsicht auf den Messsensor mit Messwiderständen und deren Anordnung,
- 4 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung von Kristallorientierungen und piezoelektrischen Koeffizienten bei diesen Kristallorientierungen,
- 5 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Differenzdrucksensor mit dem Messsensor der 1 bis 3,
- 6 eine Schemadarstellung einer Vollbrücke mit vier Messwiderständen des Messsensors der 1,
- 7 eine schematische Darstellung der Brückenschaltung der 6 auf einer Siliziumplatte zur Veranschaulichung der geometrischen Anordnung der längserstreckten Widerstände,
- 8 eine Darstellung einer weiteren Vollbrücke des Messsensors der 1, wobei die Widerstände in anderen Kristallorientierungen angeordnet sind,
- 9 eine Darstellung ähnlich der 7 und 8, wobei Messwiderstände einer nochmals weiteren Vollbrücke entlang anderen Kristallorientierungen angeordnet sind,
- 10 eine Schemadarstellung einer weiteren Vollbrücke des Messsensors der 1, deren Widerstände in bestimmten Kristallorientierungen liegen, und
- 11 eine Darstellung der Vollbrücke der 10.
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1 zeigt schematisch die Herstellung einer Messvorrichtung zur Druckmessung. Ausgehend von einem monokristallinen Siliziumkristall 2, z.B. einem monokristallinen Ingot, wird ein <110>-Wafer 4 hergestellt, in dem oder auf dem durch Dotieren mind. ein Messsensor 6 umfassend mehrerer Messwiderstände (in 1 nicht gezeigt) ausgebildet werden. Der Wafer hat insbesondere folgende Charakteristiken: Siliziumwafer; Dopant: nicht dotiert oder n-dotiert (z.B. mit Phosphor); Resitivity 1-30 Ohm cm; Orientation <110>.
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Die Messvorrichtung aus dem Siliziumkristall umfassend den Messsensor 6 wird dann auf einem Sensorträger 8 befestigt, der insbesondere zur Zuführung eines zu messenden Druckes bzw. zum Einbringen in die Umgebung, deren Druck gemessen werden soll, ausgebildet ist. Solche Trägervorrichtungen sind dem Fachmann bekannt.
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2 zeigt eine Schemadarstellung des Messsensors 6, wobei durch die perspektivische Schnittdarstellung nur ein Viertel des Sensors gezeigt ist. Die Messwiderstände sind nicht eingezeichnet. Der Sensor 6 umfasst einen Rahmen 10, der als einstückige Einheit 11 mit einer Biegeplatte 12 ausgebildet ist, welche vom Rahmen 10 allseitig umgeben ist, so dass die Biegeplatte 12 allseitig quasi eingespannt ist. Sowohl der Rahmen 10 als auch die Biegeplatte 12 sind aus dem erwähnten Wafer 4 hergestellt, also die einstückige Einheit 11, und befinden sich auf einer Basis 13, beispielsweise durch Bonden aufgebracht. Sowohl auf der Biegeplatte 12 als auch auf dem Rahmen 10 befinden sich die genannten Messwiderstände, wie es noch erläutert werden wird.
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In 2 sind weiter die Koordinatenachsen x, y und z eines Koordinatensystems eingetragen. Die Oberfläche der Biegeplatte 12 und auch des Rahmens 10 befindet sich in der xy-Ebene, die z-Richtung verläuft senkrecht zur Oberfläche von Biegeplatte 12 und Rahmen 10.
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3 zeigt eine Draufsicht von Rahmen 10 und Biegeplatte 12 in der xy-Ebene, die der Zeichenebene der 3 entspricht. Die z-Richtung steht senkrecht auf der Zeichenebene der 3. Hier sind nun schematisch die Messwiderstände eingezeichnet. Sie sind in Ausführungsformen durch Dotieren im Wafer 4 hergestellt. Alternativen dazu sind im allgemeinen Teil dieser Beschreibung erwähnt. Die Dotierung erfolgt z.B. mit Bor zu einer Maximalkonzentration von 9,5 E18 cm-3 an der Oberfläche und einer Konzentration von 1 E15 cm-3 in einer Tiefe von 0,8 µm. Der Sheetresistance beträgt z.B. 250 Ohm/Quadrat. Die Bordotierung ist ein Beispiel für die generell vorgesehene p-Dotierung.
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Auf der Biegeplatte 12 sind die Messwiderstände in einer ersten Brücke 14 angeordnet. Dabei sind mindestens zwei Messwiderstände 16a und 18a als Halbbrücke verschaltet, wobei der Messwiderstand 16a in einer Zone maximaler Zugspannung und der Messwiderstand 18a in einer Zone maximaler Druckspannung liegt, wenn sich die Biegeplatte 12 senkrecht zur Zeichenebene verformt.
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Die zum Anschluss der Messwiderstände nötigen Leiterbahnen werden ebenfalls durch eine, nun etwa eine Größenordnung höhere Dotierung erzeugt z.B. mit Bor zu einer Maximalkonzentration von 7,8 E19 cm-3 an der Oberfläche und einer Konzentration von 1 E15 cm-3 in einer Tiefe von 1,8 µm. Der Sheetresistance beträgt z.B. 30 Ohm/Quadrat.
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In der in 3 gezeigten, bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Brücke 14 als Vollbrücke ausgestaltet, d.h. es gibt weitere Messwiderstände 16b und 18b. Alle Messwiderstände 16a, 16b, 18a, 18b der ersten Brücke 14 auf der Biegeplatte 12 erstrecken sich längs der <110>-Kristallrichtung. Die Kristallrichtungen sind in 3 ebenfalls eingezeichnet, wobei die Darstellung in der Zeichenebene gilt, d.h. die Kristallrichtung <111 > ist ebenfalls in der Zeichenebene und keine perspektivische Darstellung. Die Verschaltung der Brücke 14 wird nachfolgend anhand der 6 und 7 näher erläutert.
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Weiter befindet sich auf dem Rahmen 10 eine zweite Brücke 20, die mindestens einen dritten Messwiderstand 22a entlang der <110>-Kristallrichtung sowie einen vierten Messwiderstand 24a entlang der <100>-Kristallrichtung aufweist. In der in 3 dargestellten Bauweise ist die zweite Brücke 20 ebenfalls als Vollbrücke ausgestaltet und umfasst damit noch weitere Messwiderstände 22b und 24b. Die Verschaltung der Brücke 20 wird anhand 8 noch näher beschrieben.
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Zusätzlich befindet sich auf dem Rahmen 10 noch eine dritte Brücke 26, die auf zwei unterschiedliche Arten ausgestaltet sein kann. In einer ersten Variante umfasst die Brücke 26 einen Messwiderstand 28a entlang der <111 >-Kristallrichtung sowie einen Messwiderstand 30b entlang der <100>-Kristallrichtung. Auch hier ist die Brücke 26 optional als Vollbrücke ausgestaltet und umfasst weitere Messwiderstände 28b und 30a. Sie wird mit Bezug auf 9 noch detaillierter beschrieben. In einer abgewandelten Variante ist die dritte Brücke als Brücke 26` ausgestaltet und umfasst neben dem Messwiderstand 28a` in der <111 >-Kristallrichtung einen weiteren Messwiderstand 30a`, der in der <1 00>-Kristallrichtung angeordnet ist. Auch diese Brücke ist optional (wie dargestellt) als Vollbrücke ausgebildet und umfasst dann noch weitere Messwiderstände 30b` und 28b`. Sie wird anhand 10 und 11 noch weiter geschildert.
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Wie bereits erwähnt, dient die erste Brücke 14 dazu, dass eigentliche Messsignal zu ermitteln, also die Verformung der Biegeplatte 12 zu detektieren. Die zweite Brücke 20 dient zur Messung des Absolutdruckes in z-Richtung, d.h. in der Darstellung der 3 von oben auf die Zeichenebene. Der Widerstand 22a (und soweit vorhanden 22b) ist empfindlich auf Longitudinaldehnungen und auf Dehnungen in z-Richtung. Der Widerstand 24a (und soweit vorhanden, der Widerstand 24b) dient zur Temperaturkompensation, da er mechanisch unempfindlich ist. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 noch erläutert. Da die zweite Brücke 20 sich auf dem Rahmen 10 befindet, treten von der zu erfüllenden Messaufgabe abhängige Longitudinaldehnungen hier in vielen Anwendungen nicht auf, so dass die zweite Brücke 20 letztlich nur die Dehnung in z-Richtung, also den Absolutdruck erfasst.
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Die dritte Brücke 26 oder 26' auf dem Rahmen 10 dient zur Messung von mechanischen Verspannungen des Rahmens in Form von Durchbiegungen, die entweder im Rahmen der Messaufgabe auftreten und/oder statisch und/oder temperaturabhängig sind, beispielsweise von der Montage auf dem Sensorträger 8 herrühren. Die entlang der <111 > liegenden Widerstände 28a, 28b, 28a`, 28b' sind transversal, longitudinal und in z-Richtung empfindlich. Die übrigen Widerstände 30a, 30b, 30a`, 30b' dienen bevorzugt zur Erfassung von Temperatur abhängigen Spannungen, die so in den Signalen der anderen Brücke(n) kompensiert werden können, und im Falle der Variante mit der Brücke 26` auch zur Erfassung und Kompensation eines Longitudinaleffektes, da diese Brücke dann hauptsächlich nur Spannungen entlang der <111 >-Kristallrichtung misst.
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4 zeigt ein Polardiagramm zur Veranschaulichung von Kristallorientierungen und den zugeordneten piezoelektrischen Koeffizienten im Kristall, nämlich die richtungsabhängigen piezoresistiven Koeffizienten von Silizium, Type p, Orientierung <110>. Dabei bezeichnet die Kurve 32 den piezoelektrischen Koeffizienten des Longitudinaleffekts, Kurve 34 den piezoelektrischen Koeffizienten des Transversaleffektes (die beiden Koeffizienten haben unterschiedliche Vorzeichen) und Kurve 36 den piezoelektrischen Koeffizienten in z-Richtung. Wie zu sehen ist, ist bei einer Längsrichtung 38 entlang der <1 00>-Kristallrichtung keine piezoelektrische Empfindlichkeit gegeben, weshalb die Widerstände 24a und 24b (soweit letzterer vorhanden ist) in der zweiten Messbrücke 20 ausschließlich die Temperaturkompensation bewerkstelligen. Die Längsrichtung 40 entlang der <11 0>-Kristallrichtung führt zu einer Empfindlichkeit des Messwiderstandes in longitudinaler Richtung sowie in z-Richtung. Dies ist die Empfindlichkeit der Widerstände in der ersten Brücke 14, der Widerstände 22a und 22b (soweit letzterer vorhanden) in der zweiten Brücke 20 sowie der Widerstände 30a' und 30b` (soweit letzterer vorhanden) in der dritten Brücke 26` gemäß zweiter Variante.
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Die Längsrichtung 42 führt zu einem Messwiderstand, der in transversaler und longitudinaler Richtung sowie zum Teil auch in z-Richtung empfindlich ist. Diese Ausrichtung gemäß der <111 >-Kristallrichtung ist in der dritten Brücke 26 bzw. 26` in den Widerständen 28a, 28b, 28a' und 28b' (soweit vorhanden) realisiert.
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In 4 ist schließlich noch eine Längsrichtung 44 eingetragen, die insofern vorteilhaft ist, als dort transversal und in z-Richtung gleiche Koeffizienten vorliegen, jedoch unterschiedlichen Vorzeichens. Es resultiert damit eine Empfindlichkeit nur longitudinal. Die Richtung 44 kann ersatzweise für die Richtung 42 verwendet werden. Da sie nur wenig von der <111 >-Richtung abweicht, wird sie im Sinne dieser Beschreibung als ebenfalls entlang der <111 >-Richtung angesehen.
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Der Einsatz des Messsensors 6 als Drucksensor und insbesondere als Differenzdrucksensor ist in 5 schematisch dargestellt. Hier ist ein Schnitt durch den Messsensor 6 auf dem Sensorträger 8 gezeigt. Der Schnitt verläuft entlang der Linie Ader 3, so dass auch die Messwiderstände 18a, 18b, 30a und 30b zu sehen sind. Die Durchbiegung der Biegeplatte 12 führt dazu, dass die Messwiderstände 18a und 18b gestaucht werden. Die quer zur anderen Zentrumslinie B (vgl. 3) angeordneten Messwiderstände 16a und 16b werden gedehnt. Ein durch den Sensorträger 8 mittels eines Kanals 46 zugeführter Differenzdruck führt damit zu einer Verformung der Biegeplatte 12 und letztlich zu einem Messsignal. Durch die zweite Brücke 20 kann zusätzlich ein Absolutdrucksignal erzeugt werden. Aufgrund der dritten Brücke 26, 26' ist das Signal optimal kompensiert, wobei zusätzlich durch die zweite Brücke 20 eine Temperaturkompensation bereitgestellt wird.
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6 zeigt schematisch die Verschaltung der Vollbrücke 14 bestehend aus den Messwiderständen 16a, 16b, 18a und 18b. Mit A+ ist das positive Ausgangssignal, d.h. der positive Signalabgriff bezeichnet. A- steht für den negativen Signalausgang. Die Eingänge E+ und E- sind der positive bzw. negative Speiseeingang, über welche Spannung an die Vollbrücke 14 angelegt wird.
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7 zeigt die Anordnung der Messwiderstände 16a,16b, 18a und 18b in Form von dotierten Bereichen des Siliziummaterials für die Vollbrücke 14 auf der Biegeplatte 12. Jeder Widerstand ist als streifenförmiger Bereich ausgebildet, wobei die Messwiderstände 18a und 18b als zwei Teilstreifen angeordnet sind, welche durch eine Leiterbahn verbunden sind. Die Leiterbahnen werden durch p-Dotierung des Siliziummaterials erzeugt. Die Messwiderstände liegen in der <11 0>-Richtung des Siliziumkristalls, wie bereits anhand der 3 beschrieben. Sie sind durch geeignete Dotierung hergestellt (s.o.). Die Leiterstreifen, in 7 als dünne Linien eingezeichnet, sind demgegenüber sehr viel höher dotiert (s.o.). Aufgrund der Dotierung und Ausrichtung ist der Widerstandswert der Messwiderstände 16a bis 18b dehnungsabhängig, so dass die Brücke 14 eine Durchbiegung der Biegeplatte 12 erfasst. Bei der Anordnung als Drucksensor rührt die Durchbiegung von einer Druckdifferenz zwischen Oberseite der Platte 12 und Unterseite der Platte 12 her.
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8 zeigt die Brücke 20 mit den Messwiderständen 22a bis 24b.
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Nachfolgend wird anhand der 6 bis 11 die Verschaltung der Messbrücken 14, 20, 26 und 26' näher erläutert. Dabei werden in diesen Figuren für entsprechende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet, wie in den 3 und 5.
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8 zeigt die Verschaltung der Messbrücke 20 und die Speise- und Ausgangsanschlüsse E+, E-, A+ und A-. Weiter ist die Kristallrichtung eingetragen, in der die jeweiligen Messwiderstände liegen. Dabei sind die Bezugszeichen der 4 verwendet, um die Kristallrichtungen zu kennzeichnen. Die Messwiderstände 22a bis 24b sind wiederum als entsprechend p-dotierte Bereiche des Siliziums realisiert; ebenso die Leiterbahnen.
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In der Messbrücke 20 sind die Widerstände 22a, 22b, die entlang der Richtung 40 angeordnet sind, sowohl auf Dehnung in longitudinaler Richtung, als auch in z-Richtung empfindlich. Dies kann dazu verwendet werden, um die Kraft in z-Richtung, d.h. senkrecht auf die Biegeplatte 14 absolut zu bestimmen. Damit erhält der Messsensor 6 die Fähigkeit ein Signal zu erzeugen, das nicht nur die Durchbiegung der Platte 12 infolge einer Druckdifferenz zwischen Plattenvorderseite und Plattenrückseite anzeigt, sondern auch den Absolutdruck, der von derjenigen Seite herrührt, auf welcher die Brücke 20 angeordnet ist und von der die Messwiderstände der Brücke 20 mit Druck beaufschlagt werden können.
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9 zeigt die Verschaltung der Brücke 26. Die Widerstände 28a, 28b, welche entlang der Richtung 42 oder 44 liegen, sind in transversaler Richtung und in z-Richtung empfindlich. Sie erlauben es damit mittels der Messbrücke 26 beispielsweise in einem Biegebalken in Kombination mit anderen Messsensoren neben der Biegung auch eine Torsion zu bestimmen. Damit lassen sich insgesamt genaue Aussagen über Spannungszustände gewinnen.
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10 zeigt schließlich die Messbrücke 26 in der Verschaltung.
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11 zeigt die Darstellung auf dem Rahmen 10 und die Anordnung der streifenförmigen Messwiderstände auf dem Siliziumkristall. Das zur 7 Gesagte gilt hier analog.
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Das geschilderte Prinzip kann natürlich nicht nur bei einer Biegeplatte, die allseitig in einem Rahmen eingespannt ist, zur Anwendung kommen, sondern ganz allgemein bei einem Biegeelement eingesetzt werden, das sich zur Dehnungsmessung verformt und in einem bei der Dehnungsmessung steifen Halter gehalten ist. Mit anderen Worten, die Biegeplatte 12 ist lediglich ein Beispiel für ein sich verformendes Biegeelement, beispielsweise einen Biegebalken eines Beschleunigungssensors etc., und der Rahmen 10 ist lediglich ein Beispiel für einen biegesteifen Halter, der sich bei der Dehnungsmessung vergleichsweise nicht verformt. Die besonders bevorzugte Anwendung liegt in der Druckmessung.
