DE112012000991T5

DE112012000991T5 - Widerstandsfähige Ausführung einer Hochdrucksensoreinrichtung

Info

Publication number: DE112012000991T5
Application number: DE112012000991T
Authority: DE
Inventors: Jen-Huang Albert Chiou; Shiuh-Hui Steven Chen
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-11-21
Also published as: CN103443605B; US20120216622A1; CN103443605A; WO2012115747A1; US8302483B2

Abstract

In einem aus Piezowiderständen hergestellten Druckmesselement, wobei die Piezowiderstände in einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, können thermisch induzierte Spannungen auf die Piezowiderstände und thermisch induzierte Spannungs-Offsets durch ein Dünner-Machen des Substrats vor Ausbilden der Widerstände und dann Ausbilden der Widerstände in der dünner gemachten Ausnehmung reduziert werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein Ausbilden einer kreisförmigen oder scheibenförmigen Ausnehmung im Substrat und dann Ausbilden der Widerstände darin thermisch induzierte Spannungen gleichmäßig verteilen und/oder auf allen vier Piezowiderständen eines Wheatstone-Brücken-Schaltkreises vermeiden kann.

Description

Ein Hochdrucksensor besteht gewöhnlicherweise aus einem Druckmesselement zum Messen eines Druckes, einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) zur Verstärkung und Kompensation, einem Anschluss, um einem Hochdruck und Fluidkorrosion zu widerstehen und zum Befestigen eines Druckmesselementes, und einem Verbinder für den Spannungsein- und -ausgang. Aus Gründen der Darstellung sind hierin hinsichtlich der neuartigen Einrichtungen lediglich das Druckmesselement, der Anschluss und ihre Anordnung bzw. Dimensionierung beschrieben. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Hochdrucksensoreinrichtung 100. Die Hochdrucksensoreinrichtung 100 umfasst einen Anschluss 102, in welchem ein Loch 104 mit ebenem Boden ausgebildet ist. Der Anschluss 102 besteht vorzugsweise aus Metall.
Der Anschluss 102 ist zum Einschrauben in ein Loch ausgebildet. Gewindegänge 105 sind deshalb auf der Außenfläche 106 des unteren Abschnitts 108 des Anschlusses 102 ausgebildet, welche ermöglichen, dass der Sensor 100 in ein passendes Gewindeloch schraubbar ist.
Das Loch 104 weist ein offenes Ende 110 auf, durch welches Fluid in das Loch 104 strömen kann. Das Fluid in dem Loch 104 steht unter Druck. Das unter Druck stehende Fluid übt somit eine Kraft auf den relativ ebenen Boden der Endfläche 112 des Loches 104 aus.
Die Membran 114 zwischen der Bodenendfläche 112 und der oberen Fläche 116 des Anschlusses 102 ist relativ dünn und typischerweise etwa zwischen 0,5 bis 1,5 mm dick, und zwar in Abhängigkeit von dem Druckbereich und der Größe des Loches 104. Wenn sich die Membran 114 in Antwort auf den auf die Bodenendfläche 112 ausgeübten Druck nach oben und nach unten verbiegt, dann verbiegt sich die obere Fläche 116 der Membran in Antwort auf Druckänderungen im Loch 104.
Die Verbiegungen der oberen Fläche 116 des Anschlusses 102 verformen ein piezoresistives Druckmesselement 118, welches an der oberen Fläche 116 des Anschlusses 102 nahe des Randes der Membran 114 befestigt ist. Das aus dünnem einkristallinem Silizium (Si) hergestellte Druckmesselement 118 ist in einer Glasfritte 124 eingebettet. Die Glasfritte 124 ist an der oberen Fläche 116 des Anschlusses 102 nahe dem Membranrand befestigt und ist darauf angeordnet, wie in 1 dargestellt ist. Die Glasfritte 124 weist eine Dicke von etwa fünfzig Mikrometer auf, d. h. 50 × 10^–6 Meter. Auf der oberen Fläche 126 des Druckmesselementes 118 sind vier Piezowiderstände ausgebildet und miteinander verbunden, um eine Wheatstone-Brücke zur Druckmessung zu bilden, wie in 2 dargestellt ist.
Das College-Wörterbuch von Merriam-Webster in der 11. Ausgabe definiert eine Wheatstone-Brücke als eine elektrische Brücke, welche aus zwei Zweigen eines Parallelschaltkreises besteht, welcher durch ein Galvanometer verbunden ist und zur Bestimmung des Wertes eines unbekannten Widerstandes in einem der Zweige verwendet wird. Wie hierin benutzt, bezieht sich der Begriff Wheatstone-Brücke auf die in 2 dargestellte Schaltkreis-Anordnung, nämlich die parallele Verbindung von zwei in Reihe verbundenen Widerständen.
2 ist eine Draufsicht auf das piezoresistive Druckmesselement 118 mit einer Größe von 800 μm × 800 μm × 15 μm. Das Druckmesselement 118 wird unter Verwendung herkömmlicher Techniken bearbeitet, um vier Widerstände 202-1 bis 202-4 in der oberen Fläche 126 des Druckmesselementes 118 zu bilden. Die Widerstände 202-1 bis 202-4 werden aus einem p-Material hergestellt, d. h. als Ausführungsformen, welche dem Fachmann in der Halbleitertechnik gut bekannt sind. Elektrische Verbindungen 204 aus p+-Material, welche mit dem Boden der Verbindungsstellen 206 verbunden sind, sind ebenso auf der oberen Fläche 126 des Druckmesselementes 118 ausgebildet. Jede Verbindung 204 stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei Widerständen bereit, um di Widerstände miteinander zu verbinden, um einen resistiven Wheatstone-Brücken-Schaltkreis zu bilden.
Auf der oberen Fläche 126 sind vier Verbindungen 204 dargestellt. Jede Verbindung 204 erstreckt sich von einem Punkt bzw. Knoten 205 zwischen zwei der vier Widerstände 202, welche aneinander angrenzen, nach außen und stellt eine Verbindung mit dem Boden einer Metallverbindungsstelle 206 her. Jede Verbindungsstelle 206 soll ”in” bzw. in der Nähe von einer entsprechenden Ecke 208 der oberen Fläche 126 des Druckmesselementes 118 sein. Jede Verbindung 204 endet somit in einer Verbindungsstelle 206 und verbindet sich mit dieser.
2 zeigt ebenso eine Bezugsausrichtung 210 auf der oberen Fläche 126. Der Bezug 210 ist ein optisch wahrnehmbares Symbol bzw. Kennzeichen, dessen Funktion lediglich darin besteht, die Ausrichtung des Druckmesselementes 118 zu ermöglichen.
Jede Verbindungsstelle 206 weist eine unterschiedliche Kennzeichnung bzw. Namen auf, welche bzw. welcher ihre Funktion anzeigt. Die Verbindungsstelle 206, welche in der unteren rechten Ecke angeordnet ist, und die Verbindungsstelle 206 in der oberen linken Ecke empfangen jeweils eine Eingabe- bzw. Versorgungsspannung für den Wheatstone-Brücken-Schaltkreis. Diese zwei Verbindungsstellen sind jeweils mit V_p und V_n gekennzeichnet. Die anderen zwei Verbindungsstellen sind Ausgabesignalknoten, welche jeweils als S_p und S_n gekennzeichnet sind.
Ein wohlbekanntes Problem mit herkömmlichen Drucksensoren, welche ein Druckmesselement 118 unter Verwendung einer Glasfritte 124 an einer Membran 114 befestigen, besteht darin, dass sich ein oder mehrere Hohlräume in der Glasfritte nach dem Glasschmelzvorgang bilden können. 3A ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Glasfritte 124 mit einem Hohlraum 302 in der Glasfritte 124 unmittelbar unterhalb eines Druckmesselementes 118. 3B ist eine Draufsicht auf die in der Querschnittsansicht in 3A gezeigte Struktur. Der Ort des dazwischen liegenden Hohlraumes 302 kann in 3B gesehen werden, und zwar mit einem Abstand bzw. Offset von der Mitte des Druckmesselementes 118. Der Ort des Hohlraumes 302 zwischen dem Druckmesselement 118 und der Glasfritte 124 wird hierin als asymmetrisch betrachtet. Der Hohlraum befindet sich jedoch lediglich unter einem der Widerstände 202. Sowohl die experimentelle Messung als auch Computersimulationen der in 3A und 3B dargestellten Struktur zeigen, dass der Hohlraum 302 eine Offset-Spannungsausgabe und Variationen davon aufgrund asymmetrischer thermischer Spannungen auf die Widerstände über einen Betriebstemperaturbereich erzeugt. Der Hohlraum 302 bringt einen der Widerstände 202-1 bis 202-4 dazu, sich zu verformen oder seinen Wert asymmetrisch mit Bezug auf die anderen Widerstände zu ändern, was zu einer Offset-Spannungsausgabe-Variation in einem Betriebstemperaturbereich in der Sensorausgabe führt. Die Offset-Spannungsausgabe-Variation über einem Betriebstemperaturbereich wird Temperaturkoeffizient der Offset-Spannungsausgabe (TCO) genannt und ist folgendermaßen definiert: TCO = (V_O bei 140°C – V_O bei –40°C)/180°C, wobei V_O bei 140°C bedeutet: Offset-Spannungsausgabe bei 140°C ohne Druckausübung,
V_O bei –40°C: Offset-Spannungsausgabe bei –40°C ohne Druckausübung.
Gewöhnlicherweise soll die TCO zwischen –50 μV/°C und 50 μV/°C gehalten werden, so dass der ASIC thermisches Rauschen besser handhaben kann.
Die hohe Offset-Spannungsausgabe-Variation in Abhängigkeit der Temperatur (bzw. TCO) stellt für einen ASIC ein Problem dar. Eine Vorrichtung zur Reduzierung der TCO des Sensors mit Hohlräumen in der Glasfritte wäre eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Hochdrucksensors;
2 ist eine Draufsicht auf ein piezoresistives Druckmesselement, welches in dem in 1 gezeigten Sensor verwendet wird;
3A ist eine Querschnittsansicht einer Glasfritte zum Befestigen mit einem Hohlraum und zum Unterstützen eines piezoresistiven Druckmesselementes;
3B ist eine Draufsicht auf die in 3A gezeigte Struktur;
4A ist eine Draufsicht auf eine verbesserte Hochdrucksensoreinrichtung mit einer in ihrer oberen Fläche ausgebildeten Ausnehmung;
4B ist eine Querschnittsansicht der in 4A gezeigten Struktur;
5A zeigt eine herkömmliche Hochdrucksensoreinrichtung mit einem Hohlraum in der Glasfritte;
5B zeigt die Beziehung zwischen der TCO und der Raumtemperatur-Offset-Spannungsausgabe; und
6 zeigt die Beziehung zwischen der TCO und der Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur.
7 zeigt Spannungen auf jedem Widerstand bei Raumtemperatur für verschiedene Ausführungsformen, um darzustellen, wie die TCO verbessert ist.
Detaillierte Beschreibung
4A ist eine Draufsicht auf ein Substrat 400, welches aus einem einkristallinen Silizium hergestellt ist, und zwar mit einem verbesserten Druckmesselement. 4B ist eine Querschnittsansicht der in 4A gezeigten Struktur.
Das Substrat 400 weist eine Ausnehmung 402 in der oberen Fläche 418 des Substrats 400 auf. Die Ausnehmung 402 weist im Querschnitt eine an eine Untertasse oder einen Teller erinnernde Form auf. Ein kreisförmiger Mittenbereich 406 ist eine ebene oder im Wesentlichen ebene Fläche, welche an ihrem Rand 408 durch eine geneigte Fläche bzw. Abschnitt begrenzt ist, welcher mit Bezugszeichen 410 gekennzeichnet ist.
Der geneigte Abschnitt 410 weist ein durch einen Radius definiertes abgerundetes Bodenende 412 auf. Das obere Ende 414 des geneigten Abschnitts 410 ist ebenso mit einem Radius versehen. Die Radien am Bodenende 412 und am oberen Ende 414 des geneigten Abschnitts 410 entstehen durch das Herstellungsverfahren für die Ausnehmung 402.
Die Ausnehmung 402 kann mittels Nass- oder Trockenätzen gebildet werden. Der geneigte Abschnitt 410 erleichtert eine P+-Verbindungsdotierung im Wesentlichen einfacher als in 4A und 4B dargestellt. Vier Widerstände 416-1 bis 416-4, welche aus einem P–-Material hergestellt sind, welche einen Wheatstone-Brücken-Schaltkreis bilden, sind in die Oberfläche 406 der Ausnehmung 402 eindotiert. Zwei der vier Widerstände 416-1 und 416-3 sind in der Querschnittsansicht in 4B gezeigt.
Verbindungen 422, welche aus P+-Material hergestellt sind, sind auf der oberen Fläche 418 des Substrats 400 ausgebildet. Jede Verbindung 422 stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei der Widerstände (416-1 bis 416-4) bereit, welche in der oberen Fläche 418 des Substrats 400 einschließlich der Fläche des geneigten Abschnitts 410 und der Fläche 406 der Ausnehmung 402 ausgebildet sind. Die Widerstände sind daher elektrisch als die zuvor erwähnte Wheatstone-Brücken-Topologie miteinander verbunden.
Vier Verbindungen 422 sind auf der oberen Fläche 418 gezeigt. Jede Verbindung 422 erstreckt sich nach außen, von wo die entsprechende Verbindung mit den Widerständen zusammentrifft, um am Boden einer Metallverbindungsstelle 424 zu enden. Jede Verbindungsstelle 424 wird als ”in” oder nahe zu einer entsprechenden Ecke 426 der oberen Fläche 418 angeordnet betrachtet. Der Bezugspunkt 428 auf der oberen Fläche 418 dient lediglich der Ausrichtung bzw. Orientierung des verbesserten Druckmesselementes 400.
Ein Computermodell der in 4A und 4B gezeigten Struktur hat gezeigt, dass die Ausnehmung 402 die Offset-Spannungsausgaben des Sensors und den Temperaturkoeffizienten der Offset-Spannungsausgabe bzw. ”TCO” reduziert. Das Ausdünnen des Substrates 400 in der Ausnehmung 402 soll thermisch induzierte Spannungen auf Piezowiderstände 416-1 bis 416-4, welche in der Fläche 406 der Ausnehmung 402 ausgebildet sind, ”ausgleichen” bzw. gleichmäßig verteilen. Durch noch gleichmäßigeres Verteilen der thermisch induzierten Spannungen ändern sich die Werte der vier Widerstände, welche die zuvor erwähnte Wheatstone-Brücke bilden, in symmetrischer Weise, um die durch die Zwischenschichten-Hohlräume induzierte TCO zu minimieren.
Dem Fachmann ist bekannt, dass ein Wheatstone-Brücken-Schaltkreis zwei Eingangsknoten und zwei Ausgangsknoten aufweist. Die Übergangsfunktion, welche das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung ist, kann, wie in Gleichung 1 unten gezeigt ist, folgendermaßen ausgedrückt werden:
Ein Umformen der Übergangsfunktion-Bestandteile stellt eine Gleichung für die Ausgangsspannung V_out als eine Funktion der Eingangsspannung V_in und Werte der Widerstände in der Wheatstone-Brücke bereit. Gleichung 2 unten drückt daher die Ausgangsspannung als eine Funktion der Eingangsspannung und der Werte der Widerstände aus, welche den Wheatstone-Brücken-Schaltkreis ausmachen:
An Gleichung 2 kann gesehen werden, dass sich die Ausgangsspannung selbstverständlich mit der Änderung der Widerstandswerte ebenfalls ändert, welche durch Druck, Temperaturänderung, thermisches Ungleichgewicht usw. induziert wird. Ein Computermodell und Messdaten herkömmlicher Sensoren zeigen, dass ein Hohlraum in einer Glasfritte, welche zur Befestigung des Chips mit den Widerständen verwendet wird, ungleichmäßige thermische Spannungen auf den Widerständen induzieren wird. Dadurch wird sich im Ergebnis die Ausgangsspannung ändern.
Gleichung 3 unten drückt die Ausgangsspannung als eine Funktion der Fluktuationen in den Widerstandswerten aus:
Einsetzen von Gleichung 3 in Gleichung 4 unten zeigt, dass V_out entsprechende Änderungen in jedem der Widerstände R1 bis R4 variieren wird.
Für eine piezoresistive Einrichtung kann das Verhältnis der Widerstandsänderung gegenüber dem Widerstandswert für jeden Widerstand folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei

σ L / i: die longitudinale (d. h. in Längsrichtung) Spannung auf dem Widerstand i ist, und
σ T / i: die transversale (d. h. in Querrichtung) Spannung auf dem Widerstand i ist,

₄₄

¹⁵

³

Gleichung 4 zeigt, dass der Wert für das Verhältnis der Widerstandsänderung gegenüber dem Widerstandswert für jeden Widerstand von den longitudinalen und transversalen Spannungen auf jedem Widerstand abhängt. Falls die longitudinalen Spannungen auf Widerstand 1 und 3 senkrecht zum Rand der Membran ausgerichtet sind, dann werden die transversalen Spannungen auf Widerstand 2 und 4 ebenso senkrecht zum Rand der Membran sein. Die Spannung senkrecht zum Rand der Membran wird mit Syy bezeichnet. In diesem Zustand werden die transversalen Spannungen auf Widerstand 1 und 3 und die longitudinalen Spannungen auf Widerstand 2 und 4 parallel zum Rand der Membran sein. Die Spannung parallel zum Rand der Membran wird mit Sxx bezeichnet. Daher kann Gleichung 4 umgeschrieben werden, und zwar als Gleichung 5 unten.
V_out ist daher eine Funktion der Summe der differentiellen Spannungen (Syy – Sxx) auf allen vier Widerständen. Gemäß Gleichung 5, wenn sich die Drucksensoreinrichtung unter Druck befindet, wird die Spannung senkrecht zur Membran auf jeden Widerstand Syy höher als die Spannung parallel zur Membran auf jeden Widerstand Sxx sein. Daher besitzt die Drucksensoreinrichtung eine hohe Empfindlichkeit. Um jedoch das Rauschen zu minimieren, ist es wünschenswert, die Spannungsausgabe oder die Offset-Spannungsausgabe in diesem Zustand so gering wie möglich zu halten, und vorzugsweise null für das durch die thermische Spannung induzierte Rauschen. Auf Basis von Gleichung 5 ist es offensichtlich, dass, falls die thermisch induzierten Spannungen Syy und Sxx ausgeglichen oder die Summe von (Syy – Sxx) auf null reduziert werden können, die Offset-Spannungsausgabe aufgrund der Auslöschung der Spannungen zu null wird.
6 zeigt die Beziehung zwischen der TCO und der Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur. In 6 zeigen experimentelle Daten und Computersimulationen, dass die TCO proportional zum negativen Wert der Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur ist. Um die TCO zu reduzieren bzw. zu minimieren, ist es wichtig, die Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur zu reduzieren bzw. zu minimieren.
Der Betriebstemperaturbereich des Sensors 100 liegt zwischen etwa –40°C und etwa +140°C. Da die Glasfritten-Schmelztemperatur über 350°C beträgt, erzeugt der Vorgang aufgrund höherer thermischer Ausdehnungen des Metallanschlusses 102 und der Glasfritte 124 gegenüber einer geringeren thermischen Ausdehnung des Silizium-Druckmesselementes 118 kompressive Spannungen auf allen vier Widerständen 202. Ohne einen zwischen den Schichten befindlichen Hohlraum weist der herkömmliche, in 2 dargestellte Sensor 118 ein symmetrisches Widerstandsdesign auf, welches den Unterschied zwischen den thermisch induzierten Spannungen ausgleicht, d. h. Sxx und Syy auf jedem Widerstand gleichen auch die Spannungen zwischen den vier Widerständen aus.
Wie in 7 dargestellt ist, zeigt Bezugszeichen 702 die Spannungskomponenten Sxx und Syy auf jedem der vier Widerstände ohne zwischen den Schichten befindlichem Hohlraum in der Glasfritte. Die Widerstände 1 und 3, welche jeweils mit R1 und R3 gekennzeichnet sind, d. h. sowohl (Syy – Sxx)₁ als auch (Syy – Sxx)₃, sind leicht negativ, während sowohl (Syy – Sxx)₂ und (Syy – Sxx)₄ auf R2 und R4 leicht positiv sind. Daher geht die Summe aller kleinen Werte (Syy – Sxx) auf allen vier Widerständen gegen null. Basierend auf Gleichung 5, wobei die Summe aller kleinen Werte (Syy – Sxx) auf allen vier Widerständen ausgelöscht ist, geht die Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur gegen null, und ebenso die TCO.
Unglücklicherweise können herkömmliche Sensoren die durch einen Hohlraum induzierten thermischen Spannungen nicht ausgleichen, was eine hohe TCO zur Folge hat. 5A zeigt einen herkömmlichen Sensor 118 mit einem trapezförmigen Hohlraum 502 zwischen dem Druckmesselement 118 und der Glasfritte 124 unterhalb des Widerstandes R4 202-4. Bezugszeichen 704 in 7 zeigt die Spannungen auf allen vier Widerständen 202-1 bis 202-4 des herkömmlichen Druckmesselementes 118 mit einer Dicke von 15 μm. Da der Hohlraum die thermisch unangepasste Spannung ausgleichen kann und sich der trapezförmige Hohlraum in der negativen Y-Richtung befindet, werden alle Syy-Spannungswerte reduziert bzw. weniger komprimiert. Aufgrund des Ortes des trapezförmigen Hohlraumes unterhalb des Widerstandes R4 202-4 wird Syy auf R4 am meisten ausgeglichen, dann Syy auf R1 202-1 und R3 202-3, und zuletzt Syy auf R2 202-2. Dadurch werden alle differentiellen Spannungen (Syy – Sxx) in hohem Maße positiv. Insbesondere (Syy – Sxx) auf R4 ist in bedeutendem Maße höher als die auf anderen Widerständen, da der Hohlraum sich gleich unterhalb von R4 befindet. Daher erzeugt der Hohlraum eine hohe Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur basierend auf Gleichung 5 und eine sehr hohe negative TCO bei –139,16 μV/°C.
5B zeigt den gleichen Zwischenschicht-Hohlraum 502 unterhalb einer detailliert in 4A und 4B dargestellten verbesserten Hochdrucksensor-Einrichtung 400. Die Sensoreinrichtung weist eine kreisförmige bzw. scheibenförmige Ausnehmung 402 auf, welche sich mittig auf der oberen Fläche 418 des 15 μm dicken Druckmesselementes 400 befindet. Bezugszeichen 706 in 7 zeigt die Spannungen auf allen vier Widerständen 416-1 bis 416-4 des verbesserten Druckmesselementes 400 mit einer 5 μm tiefen Ausnehmung, welche die Sxx- und Syy-Spannungen auf jeden Widerstand verteilt. Da die Ausnehmung, d. h. die Mitte des Druckmesselementes, dünner wird und die umgebende dicke Wand unter dem Druck von der Glasfritte 124 nach innen drückt, welche am Metallanschluss 102 komprimiert wird, wird die Spannung eher negativ, aber der Wert (Syy – Sxx) auf jedem Widerstand ist reduziert. Somit ist die Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur reduziert, wobei somit die TCO auf etwa –88,01 μV/°C reduziert ist. Jedoch ist die TCO immer noch außerhalb eines erwünschten Konstruktionsbereiches zwischen etwa –50 μV/°C und etwa +50 μV/°C, da der Wert (Syy – Sxx) auf R4 aufgrund des großen Hohlraumes unterhalb von R4 nicht so sehr reduziert ist.
Die TCO kann weiterhin durch zusätzliches Ausdünnen der Ausnehmung bis etwa 9,5 μm am Druckmesselement 400 verbessert werden. Der Metallanschluss 102 und die Glasfritte 124 komprimieren die Widerstände 416-1 bis 416-4 am Druckmesselement 400 weiterhin mit einer noch dünneren Mitte und einer dickeren umgebenden Wand. Bei einer 9,5 μm tiefen Ausnehmung werden die Spannungen weiter auf alle vier Widerstände 416-1 bis 416-4 verteilt. Bezugszeichen 708 in 7 zeigt, dass alle Werte (Syy – Sxx) auf Widerständen R1 bis R3 416-1 bis 416-3 vom Positiven leicht negativ werden, und die Werte (Syy – Sxx) auf Widerstand R4 416-4 fallen in bedeutendem Maß ab, bleiben jedoch positiv. Die Summe aller Werte (Syy – Sxx) ist praktisch ausgelöscht, und deshalb ist die Offset-Spannungsausgabe auf einen kleinen negativen Wert minimiert. TCO ist daher auf einen kleinen positiven Wert bei 3,57 μV/°C reduziert. Das Design kann durch leichtes Reduzieren der Ausnehmungstiefe weiterhin optimiert werden und die TCO ohne thermischem Rauschen auf fast null minimiert werden.
Ein einfaches Reduzieren der Dicke eines Druckmesselementes dürfte nicht ausreichen, ein TCO-Problem zu lösen, obwohl es hilft, die Widerstände weiter zu komprimieren und die differentielle Spannung, d. h. (Syy – Sxx), auf ein gewisses Maß zu reduzieren. Das Problem besteht darin, dass das Vorzeichen der differenziellen Spannung auf bestimmten Widerständen hinsichtlich der Spannungsauslöschung nicht umgekehrt werden kann. Daher werden die Offset-Spannungsausgabe bei Raumtemperatur und die TCO immer noch oberhalb eines zulässigen Bereiches verbleiben können. Daher hat die Chip-Dicke ihre Begrenzung und muss einen bestimmten Wert für das Anordnen während des Zusammensetzens des Sensors aufrechterhalten.
In einem aus Piezowiderständen bestehenden Drucksensor, welcher zu einem einkristallinen Siliziumchip gebildet ist, wobei die Piezowiderstände in einer Wheatstone-Brücken-Topologie zusammenverbunden sind, reduziert ein Anordnen der Piezowiderstände in einem ausgedünnten Bereich, welcher eine Ausnehmung definiert, in bedeutender Weise durch das Vorhandensein eines Hohlraums in einer Glasfritte verursachte thermisch induzierte Signaländerungen, an welcher der Chip auf einer Membran befestigt ist. Der Drucksensor ist in der Lage, Drücke im Bereich von etwa einem Megapascal (MPa) bis etwa dreihundertundfünfzig MPa zu messen.
Die vorangegangene Beschreibung dient lediglich Zwecken der Darstellung. Der wahre Umfang der Erfindung ergibt sich aus den beigefügten Ansprüchen.

Claims

Drucksensor, umfassend: eine Membran, welche auf einen Druck eines Fluides reagiert; eine Wheatstone-Brücke, welche Piezowiderstände umfasst, welche in einem Druckmesselement aus Silizium ausgebildet sind, und zwar in einer symmetrisch-geformten Ausnehmung, wobei die Wheatstone-Brücke nahe der geometrischen Mitte der Ausnehmung angeordnet ist; und eine Glasfritte, welche das Druckmesselement an der Membran befestigt.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das Silizium-Druckmesselement eine erste Seite aufweist, welche zur Membran gerichtet ist, und eine zweite Seite, welche von der Membran weggerichtet ist, wobei die symmetrisch geformte Ausnehmung in der zweiten Fläche des Druckmesselementes ausgebildet ist.
Druckmesselement nach Anspruch 2, wobei die symmetrisch geformte Ausnehmung dazu ausgebildet ist, thermisch induzierte Spannungen auf dem Druckmesselement abzuleiten.
Druckmesselement nach Anspruch 2, wobei die symmetrisch geformte Ausnehmung im Wesentlichen kreisförmig ist.
Druckmesselement nach Anspruch 2, wobei die symmetrisch geformte Ausnehmung im Wesentlichen quadratisch ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Membran metallisch ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die symmetrisch geformte Ausnehmung im Wesentlichen kreisförmig ist und in einer ersten Fläche des Druckmesselementes mit einer geneigten Fläche ausgebildet ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die symmetrisch geformte Ausnehmung im Wesentlichen quadratisch ist und in einer ersten Fläche des Druckmesselements mit einer geneigten Fläche ausgebildet ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das Silizium-Druckmesselement ein Einkristall ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das Siliziumdruckmesselement polykristallines Silizium ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das Silizium-Druckmesselement amorphes Silizium ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei das Silizium-Druckmesselement eine Dicke zwischen etwa fünf Mikrometer und etwa dreißig Mikrometer aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Glasfritte eine Dicke zwischen etwa dreißig Mikrometer und etwa einhundert Mikrometer aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung eine Dicke zwischen etwa einem Mikrometer und etwa zwanzig Mikrometer aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor dazu ausgebildet ist, Drücke im Bereich von etwa einem Megapascal (MPa) bis etwa dreihundertundfünfzig MPa zu messen.
Sensor, umfassend: ein Silizium-Einkristall-Chip mit einer geometrischen Mitte, einem Rand und nahe des Randes angeordneten Verbindungsstellen; eine Anzahl von auf den Verbindungsstellen angeordneten elektrischen Metallkontakten, wobei die elektrischen Metallkontakte wenigstens einen Eingangskontakt und wenigstens einen Ausgangskontakt umfassen; ein Array von Piezowiderständen, welche untereinander verbunden sind, um einen Wheatstone-Brücken-Schaltkreis zu bilden, wobei das Array von Piezowiderständen in einem Chip ausgebildet ist und dazu in der Lage ist, Spannungen auf dem Chip in Antwort auf einen Druck eines Fluides zu messen; wobei die Piezowiderstände in symmetrischer Weise um die geometrische Mitte des Chips herum angeordnet sind, wobei das Array von Piezowiderständen hinsichtlich der geometrischen Mitte des Chips ausgerichtet sind und sich in dessen Nähe befinden, um eine thermisch induzierte Spannung auf die Piezowiderstände abzuleiten; eine Membran, an welcher der Chip befestigt ist; und eine in dem Chip ausgebildete Ausnehmung, wobei die Ausnehmung eine geometrische Mitte aufweist, welche im Wesentlichen mit der geometrischen Mitte des Chips zusammenfällt, wobei der Wheatstone-Brücken-Schaltkreis nahe der geometrischen Mitte der Ausnehmung angeordnet ist, wobei die Ausnehmung dazu ausgebildet ist, eine thermisch induzierte Spannung auf die Piezowiderstände abzuleiten, so dass in länglicher und in Querrichtung vorhandene thermisch induzierte Spannungen auf die Piezowiderstände im Wesentlichen gleich sind.
Sensor nach Anspruch 16, weiterhin umfassend einen elektrischen Schaltkreis, welcher in betrieblicher Weise mit der Anzahl von auf den Verbindungsstellen angeordneten elektrischen Metallkontakten gekoppelt ist.
Sensor nach Anspruch 16, wobei die Membran metallisch ist.
Sensor nach Anspruch 16, weiterhin umfassend eine Glasfritte, welche den Chip an der Membran befestigt.
Sensor nach Anspruch 18, weiterhin umfassend eine Oxidschicht auf einer ersten Fläche der Membran, wobei die Glasfritte zwischen der Oxidschicht und dem Chip angeordnet ist.