DE112014002776T5

DE112014002776T5 - Dünnschichtsensor

Info

Publication number: DE112014002776T5
Application number: DE112014002776.6T
Authority: DE
Inventors: Steen Møllebjerg Matzen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2016-03-17
Also published as: WO2014199247A1; CN105393099A; US9909944B2; CN105393099B; US20160123828A1

Abstract

Es wird ein Sensor (1) offenbart, der eine Membran, eine auf der Membran angeordnete Isolierschicht (3), eine Messelektronik, die eine auf die Isolierschicht (3) aufgebrachte Dünnschichtschaltung (4), z. B. in Form einer Wheatstone-Brücke umfasst, und eine Spannungsversorgung (14), die ausgelegt ist, der Dünnschichtschaltung (4) eine Quasi-Gleichspannung zuzuführen, umfasst. Der Sensor (1) ist aufgrund der Dünnschichtschaltung (4) kostengünstig herzustellen, und dadurch dass der Dünnschichtschaltung (4) die Quasi-Gleichspannung zugeführt wird, werden Korrosionseffekte vermieden, ohne eine Beschichtung oder Passivierungsschicht auf die Dünnschichtschaltung (4) auftragen zu müssen.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, wie beispielsweise einen Drucksensor, der eine Messelektronik mit einer auf einer Isolierschicht aufgebrachten Dünnschichtschaltung umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Sensoren in Form von Halbleitersensorchips sind bekannt. Zum Beispiel beschreibt die US 5,681,997 einen durch Aufbringen von polykristallinen Siliciumpiezowiderständen auf ein polykristallines Messdiaphragma ausgebildeten polykristallinen Drucksensor. Die Piezowiderstände sind in der Konfiguration einer Wheatstone-Brücke angeordnet. Im Betrieb wird ein alternierendes Differenzsignal an den Eingang der Wheatstone-Brücke angelegt. Ein zwischen den Ausgangsklemmen der Wheatstone-Brücke gemessener Spannungsunterschied wird dazu verwendet, eine Unsymmetrie in den elektrischen Piezowiderständen zu erfassen, das einem auf den Sensor ausgeübten Druck entspricht.
Es sind auch Sensoren bekannt, die eine Dünnschichtschaltung umfassen. Solche Sensoren sind oft kostengünstig herzustellen. Zum Beispiel offenbart die US 4,777,826 einen Dehnungsmesssensor zum Bereitstellen eines elektrischen Ausgangssignals in Reaktion auf eine auf das Substrat ausgeübte Einflussgröße. Auf eine Isolierschicht, die auf ein Substrat aus monokristallinem Material aufgebracht ist, wird eine homogene Dünnschichtschaltung aufgebracht. Auf der Dünnschichtschaltung wird eine Passivierungsschicht bereitgestellt.
Ein Problem bei Dünnschichtsensoren aus dem Stand der Technik besteht darin, dass Korrosion auftritt, insbesondere aufgrund hoher elektrischer Feldstärken an der Dünnschichtschaltung. Das für die Dünnschichtschaltung verwendete Material muss daher relativ korrosionsbeständig gewählt werden. Ferner muss die Dünnschichtschaltung beschichtet werden, z. B. mit einer Passivierungsschicht, um die Korrosion zu mindern. Das Aufbringen einer solchen Beschichtung oder Passivierungsschicht kann eine Verspannung in den Sensor einleiten. Eine solche Verspannung kann mit der Zeit zu einer Verspannungsentlastung führen, die dann wiederum bewirken kann, dass der Sensor driftet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der kostengünstig herzustellen ist und gleichzeitig gegen Korrosion geschützt ist.
Es ist eine weitere Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der kostengünstig herzustellen ist und gleichzeitig in der Lage ist, zuverlässige Messungen bereitzustellen.
Die Erfindung stellt einen Sensor bereit, der umfasst:

– eine Membran,
– eine auf der Membran angeordnete Isolierschicht,
– eine Messelektronik, die eine auf die Isolierschicht aufgebrachte Dünnschichtschaltung umfasst, und
– eine Spannungsversorgung, die ausgelegt ist, der Dünnschichtschaltung eine Quasi-Gleichspannung zuzuführen.

Im vorliegenden Zusammenhang ist unter dem Begriff "Membran" eine Struktur zu verstehen, die biegsam ist und dadurch in der Lage ist, in Reaktion auf eine auf die Membran ausgeübte Kraft, z. B. aufgrund eines Druckunterschieds zwischen einer ersten Seite der Membran und einer zweiten, gegenüberliegenden, Seite der Membran, auszulenken.
Auf der Membran ist eine Isolierschicht angeordnet. Im vorliegenden Zusammenhang ist unter dem Begriff "Isolierschicht" eine Materialschicht zu verstehen, die eine elektrische Isolierung zwischen der Membran und auf einer gegenüberliegenden Seite der Isolierschicht angeordneten Objekten bereitstellt.
Der Sensor umfasst ferner eine Messelektronik, die eine auf die Isolierschicht aufgebrachte Dünnschichtschaltung umfasst. Die Dünnschichtschaltung ist somit mittels der Isolierschicht elektrisch von der Membran isoliert. Die Dünnschichtschaltung ist jedoch in der Lage, Auslenkungen der Membran zu folgen, und die Dünnschichtschaltung stellt auf diese Weise das vom Sensor durchgeführte eigentliche Messen bereit.
Schließlich umfasst der Sensor eine Spannungsversorgung, die ausgelegt ist, der Dünnschichtschaltung eine Quasi-Gleichspannung zuzuführen. Im vorliegenden Zusammenhang ist unter dem Begriff "Quasi-Gleichspannung" ein Gleichspannungssignal zu verstehen, das alternierend zwischen einem oberen Spannungspegel und einem unteren Spannungspegel umgeschaltet wird, in einer Weise, so dass der obere Spannungspegel einem Versorgungsknoten der Dünnschichtschaltung zugeführt wird wenn der untere Spannungspegel einem anderen Versorgungsknoten der Dünnschichtschaltung zugeführt wird, und umgekehrt. Die Spannungspegel werden in vorgegebenen Zeitintervallen umgekehrt, so dass der dem einen Knoten zugeführte Spannungspegel vom oberen Spannungspegel auf den unteren Spannungspegel umgeschaltet wird, während der dem anderen Knoten zugeführte Spannungspegel vom unteren Pegel auf den oberen Pegel umgeschaltet wird, usw.
Es ist von Vorteil, dass die Messelektronik eine Dünnschichtschaltung umfasst, die das vom Sensor durchgeführte eigentliche Messen bereitstellt, da dies eine kostengünstige Weise ist, einen Sensor herzustellen.
Die Abmessungen einer Dünnschichtschaltung sind normalerweise sehr klein. Daher ist die Durchschlagfestigkeit zwischen den einzelnen Komponenten der Dünnschichtschaltung relativ hoch, z. B. in der Größenordnung von kV/m. Diese hohe Durchschlagfestigkeit stellt in Kombination mit Feuchtigkeit eine sehr aggressive Betriebsumgebung dar. Diese aggressive Betriebsumgebung erhöht die Gefahr einer galvanischen Korrosion der Dünnschichtschaltung.
Es ist ferner von Vorteil, dass die Spannungsversorgung ausgelegt ist, der Dünnschichtschaltung eine Quasi-Gleichspannung zuzuführen, da ein Umkehren der Spannungspegel, wie es oben beschrieben ist, aufgrund der wechselnden Anoden-Kathoden-Polarisation eine galvanische Korrosion der Dünnschichtschaltung verhindert. Dadurch wird die Korrosion gemindert und die Lebensdauer des Sensors verlängert, ohne dass auf der Dünnschichtschaltung eine Beschichtung oder eine Passivierungsschicht aufgetragen werden muss. Dementsprechend wird eine Drift des Sensors aufgrund einer bei einem Auftragen einer Beschichtung oder Passivierungsschicht eingeleiteten Verspannung vermieden.
Erfindungsgemäß wird somit ein Sensor bereitgestellt, der kostengünstig herzustellen ist, eine lange Lebensdauer aufweist und zuverlässige Messungen bereitstellt.
Die Dünnschichtschaltung kann eine Wheatstone-Brücke sein oder umfassen. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Quasi-Gleichspannung vorteilhafterweise in der oben beschriebenen Weise den beiden Eingangsklemmen der Wheatstone-Brücke zugeführt werden.
Die Isolierschicht kann aus SiO₂ sein. Als Alternative kann ein anderes elektrisch isolierendes Material verwendet werden, z. B. ein anderes Material auf Siliciumbasis, wie etwa Si₃N₄.
Die Membran kann an einer Tragstruktur montiert sein oder einen Teil einer solchen bilden. Die Tragstruktur kann z. B. ein starres Rahmenteil, z. B. aus einem Metall wie nichtrostendem Stahl sein.
Der Sensor kann ferner eine zwischen der Dünnschichtschaltung und der Tragstruktur angeordnete elektrisch leitfähige Sicherheitsschicht umfassen. Da die Sicherheitsschicht elektrisch leitfähig ist, ist es mittels geeigneter elektrischer Verbindungen möglich, sicherzustellen, dass sich die Sicherheitsschicht auf einem elektrischen Sollpotential befindet. Dadurch ist es möglich, den Unterschied im elektrischen Potential zwischen der Dünnschichtschaltung und der Sicherheitsschicht zu minimieren. Es ist nicht möglich, das elektrische Potential der Tragstruktur zu steuern, und es kann daher zwischen den elektrischen Komponenten der Dünnschichtschaltung und der Tragstruktur ein Unterschied im elektrischen Potential bestehen. Falls die Sicherheitsschicht nicht vorhanden wäre, könnte ein solcher Unterschied im elektrischen Potential eine kapazitive Kopplung zwischen den elektrischen Komponenten der Dünnschichtschaltung und der Tragstruktur erzeugen, und diese kapazitive Kopplung würde zu einer elektromagnetischen Beeinflussung (EMB) im Sensor in Form von "Chassisrauschen" führen. Wenn jedoch eine Sicherheitsschicht zwischen der Dünnschichtschaltung und der Tragstruktur angeordnet ist, besteht ein Unterschied im elektrischen Potential zwischen der Sicherheitsschicht und der Tragstruktur, aber nicht zwischen den elektrischen Komponenten der Dünnschichtschaltung und der Sicherheitsschicht. Dementsprechend sichert die Sicherheitsschicht die elektrischen Komponenten der Dünnschichtschaltung gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) in Form von "Chassisrauschen".
Die Sicherheitsschicht kann elektrisch von der Membran und/oder von der Dünnschichtstruktur isoliert sein.
Die Dünnschichtschaltung kann metallisch sein, d. h. sie kann aus einem Metall oder einer Legierung sein. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Dünnschichtschaltung aus einem elektrisch leitfähigen Material. Zum Beispiel kann die Dünnschichtschaltung aus NiCr sein. Für Bondpads wird oft Ni verwendet. Eine Dünnschichtschaltung aus NiCr ist somit leicht zu erhalten, einfach indem im Sputterprozess Cr hinzugefügt wird. Als Alternative kann die Dünnschichtschaltung aus einem anderen geeigneten Metall oder einer anderen geeigneten Legierung sein, wie etwa aus TaN.
Der Sensor kann ein Dehnungsmesser sein. In diesem Fall misst der Sensor Auslenkungen der Membran, die durch auf die Membran einwirkende Kräfte verursacht werden. Die Kräfte können z. B. aus einem Druckunterschied an der Membran oder aus Dehnung oder mechanischer Spannung in einer Struktur an der die Membran befestigt ist herrühren. Im Falle, dass die Dünnschichtschaltung eine Wheatstone-Brücke ist oder umfasst, kann die Dehnung gemessen werden, indem Spannungsschwankungen an den Ausgangsklemmen der Wheatstone-Brücke gemessen werden.
Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Sensor ein Drucksensor sein. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Sensor vorteilhafterweise Druckunterschiede an der Membran messen. Dies kann z. B. durch Messen der durch die Druckunterschiede verursachten Ablenkungen der Membran erfolgen, und der Sensor kann in diesem Fall ein Dehnungsmesser sein, wie er oben beschrieben ist. Als Alternative kann der Sensor ein Temperatursensor, ein Spannungsmesser für mechanische Spannungen oder eine sonstige geeignete Art von Sensor sein.
Die Messelektronik kann ferner eine Schaltanordnung umfassen, wobei die Schaltanordnung ausgelegt ist, ein Quasi-Gleichspannungssignal zu erzeugen und das erzeugte Quasi-Gleichspannungssignal der Dünnschichtschaltung zuzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Spannungsversorgung eine Gleichspannungsversorgung und die Schaltungsanordnung gewährleistet, dass die der Dünnschichtschaltung zugeführte Spannung eine Quasi-Gleichspannung ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Explosionsdarstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine schematische Ansicht eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Ansicht eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
4 dem Sensor von 2 zugeführte Spannungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Explosionsdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 1 umfasst eine Tragstruktur 2, die eine Membran definiert (nicht sichtbar). Auf der Membran ist eine Isolierschicht 3 montiert, und eine Dünnschichtschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke 4 ist auf die Isolierschicht 3 aufgebracht. Die Isolierschicht 3 isoliert somit die Wheatstone-Brücke 4, und damit die Tragstruktur 2, elektrisch von der Membran.
Wie vorstehend beschrieben, ist es von Vorteil, dass die Wheatstone-Brücke 4 eine Dünnschichtschaltung ist, da es sehr kostengünstig ist, die Wheatstone-Brücke 4 bereitzustellen und dadurch den Sensor 1 herzustellen.
2 ist eine schematische Ansicht eines Sensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 1 umfasst eine Dünnschichtschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke 4, die auf eine Isolierschicht (nicht gezeigt) aufgebracht ist.
Eine Spannungsversorgung ist ausgelegt, einem ersten Knoten 5 der Wheatstone-Brücke 4 einen Spannungspegel, V₁, in Form einer Quasi-Gleichspannung zuzuführen, und einem zweiten Knoten 6 der Wheatstone-Brücke 4 eine zweite Spannung, V₂, in Form einer Quasi-Gleichspannung zuzuführen. Dementsprechend alternieren die Spannungen, V₁ und V₂, beide zwischen einem oberen Pegel und einem unteren Pegel, in einer Weise so dass die Spannung anfänglich im Wesentlichen konstant auf dem oberen Pegel gehalten wird, dann abrupt auf den unteren Pegel umgeschaltet wird und im Wesentlichen konstant auf dem unteren Pegel gehalten wird, bevor sie abrupt zurück auf den oberen Pegel umgeschaltet wird, usw. Die Quasi-Gleichspannungen, V₁ und V₂, definieren somit jeweils eine Periode, bei der es sich z. B. um die Zeit handelt, die ab dem Schalten der Spannung auf den oberen Pegel vergeht, bis die Spannung wieder auf den unteren Pegel umgeschaltet wird. Ferner wird, wenn der obere Spannungspegel dem ersten Knoten 5 zugeführt wird, der untere Spannungspegel dem zweiten Knoten 6 zugeführt und umgekehrt.
Es ist von Vorteil, dass die den Knoten 5, 6 zugeführten Spannungen, V₁ und V₂, in der Form von Quasi-Gleichspannungen sind, da ein Alternieren der Spannungen wie es oben beschrieben ist, die galvanischen Korrosionseffekte auf die Wheatstone-Brücke 4 mindert. Dies ermöglicht es, die Wheatstone-Brücke 4 in Form einer Dünnschichtschaltung bereitzustellen, ohne Gefahr, dass die Lebensdauer des Sensors 1 inakzeptabel kurz ist, und ohne dass eine Beschichtung oder Passivierungsschicht auf die Wheatstone-Brücke 4 aufgetragen werden muss.
Der Sensor 1 von 2 kann in der folgenden Weise betrieben werden. Die Messelektronik wird mit den Knoten 7 und 8 der Wheatstone-Brücke 4 verbunden. Die Quasi-Gleichspannungen, V₁ und V₂, werden den Knoten 5 und 6 zugeführt, wie oben beschrieben. Veränderungen einer Messgröße wie Druck, Dehnung, mechanische Spannung, Temperatur usw. bewirken, dass sich der Widerstandswert der Widerstände der Wheatstone-Brücke 4 verändert. Dies wiederum bewirkt dann, dass sich der Spannungsunterschied zwischen den Knoten 7 und 8 verändert. Diese Veränderung des Spannungsunterschieds wird von der Messelektronik erfasst und dazu verwendet, die Veränderungen der Messgröße abzuleiten. Bei entsprechender Kalibrierung des Sensors 1 kann ein Absolutwert der Messgröße abgeleitet werden.
3 ist eine schematische Ansicht eines Sensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 1 von 3 ist dem Sensor 1 von 2 sehr ähnlich und wird deshalb hier nicht ausführlich beschrieben.
Der Sensor 1 von 3 umfasst eine Schaltanordnung 9 mit vier Schaltern 10, 11, 12, 13, die alternierend geöffnet und geschlossen werden können. In 3 sind die Schalter 10, 11, 12, 13 in der geöffneten Stellung gezeigt. Die Schaltanordnung 9 ist elektrisch zwischen einer Gleichspannungsversorgung 14 und der Wheatstone-Brücke 4 verbunden. Wenn der Schalter 10 und der Schalter 13 geschlossen sind und der Schalter 11 und der Schalter 12 geöffnet sind, wird dem zweiten Knoten 6 der Wheatstone-Brücke 4 ein oberer Spannungspegel zugeführt und dem ersten Knoten 5 der Wheatstone-Brücke 4 wird ein unterer Spannungspegel zugeführt. In ähnlicher Weise wird, wenn der Schalter 10 und der Schalter 13 geöffnet sind und der Schalter 11 und der Schalter 12 geschlossen sind, dem zweiten Knoten 6 der Wheatstone-Brücke 4 ein unterer Spannungspegel zugeführt und dem ersten Knoten 5 der Wheatstone-Brücke 4 wird ein oberer Spannungspegel zugeführt. Durch geeignetes Umschalten der Schalter 10, 11, 12, 13 der Schaltanordnung 9 können somit der Wheatstone-Brücke 4 die in 2 dargestellten Quasi-Gleichspannungen zugeführt werden.
4 zeigt die den Knoten 5, 6 der Wheatstone-Brücke 4 des Sensors 1 von 2 oder 3 zugeführten Quasi-Gleichspannungen V₁ und V₂, als eine Funktion der Zeit. Aus 4 wird deutlich, dass wenn die dem ersten Knoten 5 der Wheatstone-Brücke 4 zugeführte Quasi-Gleichspannung V₁ auf dem oberen Pegel ist, die dem zweiten Knoten 6 der Wheatstone-Brücke 4 zugeführte Quasi-Gleichspannung V₂ auf dem unteren Pegel ist, und umgekehrt.

Claims

Sensor (1), der umfasst: – eine Membran, – eine auf der Membran angeordnete Isolierschicht (3), – eine Messelektronik, die eine auf die Isolierschicht (3) aufgebrachte Dünnschichtschaltung (4) umfasst, und – eine Spannungsversorgung (14), die ausgelegt ist, der Dünnschichtschaltung (4) eine Quasi-Gleichspannung zuzuführen.
Sensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Dünnschichtschaltung (4) eine Wheatstone-Brücke ist oder umfasst.
Sensor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Isolierschicht (3) aus SiO₂ ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Membran auf einer Tragstruktur (2) montiert ist oder einen Teil einer solchen bildet.
Sensor (1) gemäß Anspruch 4, der ferner eine zwischen der Dünnschichtschaltung (4) und der Tragstruktur (2) angeordnete elektrisch leitfähige Sicherheitsschicht umfasst.
Sensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dünnschichtschaltung (4) metallisch ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dünnschichtschaltung (4) aus NiCr ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1) ein Spannungsmesser für mechanische Spannungen ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1) ein Drucksensor ist.
Sensor (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messelektronik ferner eine Schaltanordnung (9) umfasst, wobei die Schaltanordnung (9) ausgelegt ist, ein Quasi-Gleichspannungssignal zu erzeugen und das erzeugte Quasi-Gleichspannungssignal der Dünnschichtschaltung (4) zuzuführen.