DE19638407C2 - Halbleitersensor und Verfahren zur Einstellung dessen Ausgangssignal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleitersensor und ein Ver­ fahren zur Einstellung dessen Ausgangssignals.

Genauer betrifft die Erfindung einen Halbleiter-Drucksensor, der ein auf oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildetes Bela­ stungs-Erfassungselement aufweist und durch eine Widerstandsveränderung des Belastungs-Erfassungselements erzeugte, elektrische Ausgangssignale erzeugt, wenn es elastisch ver­ formt wird, und insbesondere einen für ein Anti-Blockiersy­ stem (ABS) oder SRS eines Kraftfahrzeugs verwendeten Halblei­ ter-Beschleunigungssensor und einen für die Regelung der Kraftstoffeinspritzung eines Kraftfahrzeugs verwendeten Halb­ leiter-Drucksensor.

Eine Schwingung oder Beschleunigung wird im allgemeinen durch einen Halbleiter-Beschleunigungssensor gemessen, der einen Auslegeraufbau eines Halbleitersensorchips aufweist, der eine dünne Membran einer den piezoresistiven Halbleiter-Effekt nutzenden piezoelektrischen Widerstandseinrichtung so­ wie auf beiden Seiten der Membran ausgebildete, dicke Ab­ schnitte aufweist, wobei einer der dicken Abschnitte an einem Fuß eines Sockels befestigt und der andere dicke Abschnitt freitragend ist. Eine auf den Beschleunigungssensor ausgeübte Kraft ist durch die Veränderung des Widerstands der piezo­ elektrischen Widerstandseinrichtung bestimmt.

Ein Ende des Sensorchips des Halbleiter-Beschleunigungssen­ sors ist an einem auf einem keramischen Substrat ausgebilde­ ten Fuß befestigt, so daß dieser einen Auslegeraufbau bildet. Die Membran ist durch Ätzen der rückwärtigen Oberfläche des Sensorchips ausgebildet. Vier (nachstehend als piezoelektri­ sche Widerstände bezeichnete) Widerstände sind auf der vor­ derseitigen Oberfläche der Membran derart ausgebildet, daß eine Belastung bzw. Dehnung an den piezoelektrischen Wider­ ständen konzentriert wird. Die vier piezoelektrischen Wider­ stände sind mit einem Aluminiumanschluß zur Bildung einer Brückenschaltung verbunden und dienen als Beschleunigungs-Er­ fassungselement.

Außerdem ist aus der DE 40 25 452 C2 ein Beschleunigungssen­ sor bekannt, der die Auslenkung eines mechanischen Pendels mit einem Servoschaltkreis erfaßt und einen zwischen zwei Verstärkern geschalteten Phasenkompensationskreis mit einem Kondensator und zwei Widerständen aufweist. Der Sensor be­ steht aus einem Photopotentiometer.

Darüber hinaus sind Drucksensoren ohne Hochpaßfilter in den Literaturstellen "Piezoresistiver Drucksensor mit Verstär­ kungsprogrammierung" von N. Rätz aus "Messen Prüfen Automati­ sieren", März 1989, S. 112 bis 114 und "Drucksensor inte­ griert Signalaufbereitung" von H. Schaefer in "Design & Elek­ tronik", Sonderheft Sensortechnik, 1993, S. 36-37, offenbart.

So zeigt der letztere Artikel nämlich insbesondere die Be­ schaltung des piezoresistiven Drucksensors, der aus einer Brückenschaltung aus piezoresistiven Widerständen besteht. Das Ausgangssignal der Brückenschaltung wird einem ersten (Differenz-)Verstärker zugeführt, der dieses verstärkt und dann einem zweiten Verstärker zuführt. Dessen Ausgang bildet zugleich den Ausgang des Drucksensors. Die Temperaturabhän­ gigkeit des Ausgangssignals des Sensors kann durch definierte Temperaturkoeffizienten von internen Spannungsquellen kompen­ siert werden. Alternativ kann die Temperaturabhängigkeit des aus Halbleitermaterial bestehenden Sensors auch durch den zweiten Verstärker kompensiert werden, der zu diesem Zweck eine umgekehrte Temperaturabhängigkeit bezogen auf das Halb­ leitermaterial aufweist. Beispielsweise hat dessen Verstär­ kungsfaktor einen negativen Temperaturkoeffizienten, wenn das Halbleitermaterial einen positiven Temperaturkoeffizienten hat. Auf diese Weise hebt der Nachverstärker also die Tempe­ raturabhängigkeit des Sensors auf.

Bei derartigen Sensoren kann zwischen dem ersten und dem zweiten Verstärker ein Hochpaßfilter geschaltet sein, das dazu dient, die Gleichspannungskomponente des durch den ersten Verstärker differentiell verstärkten Beschleunigungs­ signals zu beseitigen. Hochpaßfilter bestehen gewöhnlich aus Widerständen und zumindest einem Kondensator. Nach Beginn der Stromzufuhr muß der Kondensator jedoch vollständig aufgeladen sein, bevor aus dem Hochpaßfilter ein korrektes und stabiles Ausgangssignal erhalten wird. Die Zeit, die dazu benötigt wird, bis das Hochpaßfilter nach Beginn der Stromzufuhr ein stabilisiertes Ausgangssignal erzeugt, wird als Anstiegszeit bezeichnet.

Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird das Beschleuni­ gungssignal mit einem Differenzverstärker der Signalverarbei­ tungsschaltung differentiell verstärkt, über den mit Wider­ ständen und Kondensatoren auf dem keramischen Substrat ausge­ bildeten Hochpaßfilter weitergeleitet, zurück zu der Signal­ verarbeitungsschaltung übertragen, wo das Signal wiederum verstärkt wird, und über die (Leitungs-) Anschlüsse ausgege­ ben. Das Hochpaßfilter und der Verstärker der Signalverarbei­ tungsschaltung verwenden als Referenzspannung eine konstante Spannung VA. Zur Verringerung der Anstiegszeit des Halbleiter-Beschleunigungssensors beim Einschalten des Stroms wird eine Ausgangsspannung VB des vorstehend erwähnten Differenzverstärkers durch Abgleich bzw. Trimmen des Offset-Einstellwiderstands derart eingestellt, daß die Ausgangsspan­ nung VB gleich der konstanten Spannung VA ist.

Das Siliziummaterial des Sensorchips und der Passivierungs­ schicht (oder des Siliziumdioxids) weisen verschiedene Wärme­ ausbreitungskoeffizienten auf, was verursacht, daß der Sen­ sorchip wegen des Bimetalleffekts gekrümmt bzw. gebogen wird. Da der Bimetalleffekt temperaturabhängig ist, ist das Aus­ gangssignal der Brückenschaltung ebenfalls temperaturabhän­ gig. Obwohl die Ausgangsspannung VB durch Abgleich des Widerstands bei Zimmertemperatur gleich der konstanten Spannung VA eingestellt wird, würde die Ausgangs­ spannung VB deswegen von der konstanten Spannung VA bei einer höheren oder niedrigeren Temperatur wesentlich abweichen. Beispielsweise sei angenommen, daß bei einem Halbleiter-Beschleunigungssensor die Abgleicheinstellung bei Zimmertem­ peratur vorgenommen wurde, daß die Anstiegszeiten an den oberen Grenz- und den unteren Grenzbetriebstemperaturen des Halbleiter-Beschleunigungssensors jeweils Ta bzw. Tb sind und daß Ta größer als Tb ist (die Anstiegszeit ist als die Zeit definiert, die erforderlich ist, damit der Halbleiter-Be­ schleunigungssensor nach dem Einschalten des Stroms stabile Ausgangssignale erzeugt). Dann sollte die erforderliche An­ stiegszeit für den Halbleiter-Beschleunigungssensor Ta be­ tragen.

Deswegen muß die Entwicklung unter Verwen­ dung dieses Halbleiter-Beschleunigungssensors die Anstiegs­ zeit Ta für sämtliche Betriebstemperaturen benutzen. Dies verdeutlicht, daß die Anstiegszeit nach dem Einschalten des Stroms über den gesamten, für den Halbleiter-Beschleunigungs­ sensor garantierten Betriebstemperaturbereich nicht hinrei­ chend verringert ist.

Bei einer Zwischenschaltung eines Hochpaßfilters zwischen den Vorverstärker und den Nachverstärker bei dem aus der DE 40 25 452 C2 bekannten Sensor ergibt sich folglich das Problem, daß die Temperaturkompensation durch unterschiedliche Anstiegs­ zeiten des Ausgangssignals des Nachverstärkers bei verschie­ denen Temperaturen aufgehoben wird, die durch die exponen­ tielle Aufladung des Kondensators verursacht wird. Dadurch, daß die Ausgangsspannungen des Nachverstärkers von derjenigen Ausgangsspannung abweichen, bei der der Offsetabgleich ausge­ führt wurde, kann eine temperaturunabhängige Messung über einen breiten Temperaturbereich nicht erreicht werden, so daß die Temperaturkompensation des Sensor-Ausgangssignals damit zumindest teilweise aufgehoben wird.

Jedoch ist selbst bei einer Temperaturkompensation des Sen­ sor-Ausgangssignals durch den Nachverstärker die Anstiegszeit bei einem oberen Grenzwert des Betriebstemperaturbereichs höher und bei dessen unterem Grenzwert niedriger als bei einer Bezugstemperatur. Dies führt dazu, daß eine zufrieden­ stellende Temperaturkompensation des Sensor-Ausgangssignals nicht erfolgt. Infolgedessen kann, da das Ausgangssignal des Sensors nur für bestimmte Temperaturwerte kompensiert ist, ein über den gesamten Betriebstemperaturbereich temperatur­ unabhängiges Ausgangssignal nicht erhalten werden. Daher ist eine temperaturunabhängige Messung über einen breiten Tempe­ raturbereich nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den vorste­ hend beschriebenen Halbleitersensor mit Hochpaßfilter und ein Verfahren zur Einstellung dessen Ausgangssignals derart wei­ terzubilden, daß eine temperaturunabhängige Messung über einen breiten Temperaturbereich ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patent­ ansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch den Abgleich der Ausgangsspannung des Vorverstärkers bei Zimmertemperatur wird die Bedingung erfüllt, daß die Werte der Ausgangsspannung des Vorverstärkers bei den beiden Temperaturgrenzwerten, die um die Referenzspannung verringert sind, gewichtet mit den jeweiligen Verstärkungsfaktoren des Nachverstärkers bei den beiden Grenzwerten des Temperatur­ bereichs gleich sind.

Im einzelnen wird die Ausgangsspannung Vm des Vorverstärkers unter Verwendung der Offset-Einstelleinrichtung derart einge­ stellt, daß die Anstiegszeit des Ausgangssignals des Nachver­ stärkers nach dem Einschalten der Stromzufuhr bei der oberen Grenzbetriebstemperatur des Halbleitersensors gleich der An­ stiegszeit bei der unteren Grenzbetriebstemperatur ist. Das bedeutet, daß eine Zimmertemperatur-Ausgangsspannung VmR des Vorverstärkers derart eingestellt wird, daß die folgenden Gleichungen erfüllt sind:

AvC × (VmC - Vr) = AvH × (VmH - Vr),

VmC = α × VmR,

VmH = β × VmR,

wobei AvC den Verstärkungsfaktor des Nachverstärkers bei der unteren Grenzbetriebstemperatur, AvH den Verstärkungsfaktor des Nachverstärkers bei der oberen Grenzbetriebstemperatur, VmC die Ausgangsspannung Vm des Vorverstärkers bei der unte­ ren Grenzbetriebstemperatur, VmH die Ausgangsspannung Vm des Vorverstärkers bei der oberen Grenzbetriebstemperatur und α sowie β positive Proportionalitätskonstanten bezeichnen.

Da der Ausgang des Nachverstärkers dem Ausgang des gesamten Halbleitersensors entspricht, ist dadurch das Ausgangssignal des Sensors über den gesamten Betriebstemperaturbereich voll­ ständig temperaturkompensiert. Auf diese Weise kann die Tem­ peraturunabhängigkeit des die Meßgröße darstellenden Aus­ gangssignals über einen breiten Temperaturbereich sicherge­ stellt werden.

Insbesondere wird es durch die Einstellung des Offsets der Sensoreinrichtung möglich, die Anstiegszeit des Ausgangs­ signals des Hochpaßfilters bei dem oberen Grenzwert des Tem­ peraturbereichs zu verringern. Daher kann die Zeit verkürzt werden, die dazu erforderlich ist, daß der Sensor nach Ein­ schalten der Stromzufuhr ein stabiles Ausgangssignal ausgibt.

In den Unteransprüchen 2 und 3 bzw. 5 sind vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den inneren Aufbau des Halbleiter-Beschleunigungssen­ sors gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Blockschaltbild, das eine Schaltung des in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 darstellt, und

Fig. 3 eine Schaltung, die das Blockschaltbild des in Fig. 2 dargestellten Beschleunigungssensors 1 implementiert.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

Nachstehend wird ein Halbleiter-Beschleunigungssensor als Beispiel für den Halbleitersensor ausführ­ lich beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt, der den inneren Aufbau eines Halbleiter-Beschleunigungssensors darstellt. Ein in Fig. 1 dargestellter Halbleiter-Beschleunigungssensor 1 weist einen Sensorchip 3 auf, dessen eines Ende an einem auf einem keramischen Sub­ strat 2 ausgebildeten Fuß 4 zur Bildung eines Auslegeraufbaus befestigt ist. Der Sensorchip 3 ist beispielsweise aus einem p-Typ-Halbleiter hergestellt und weist eine durch Ätzen der rückwärtigen Oberfläche des Sensorchips 3 ausgebildete Mem­ bran 5 auf. Vier (nachstehend als piezoelektrische Wider­ stände bezeichnete) Widerstände sind auf der Oberfläche der Membran 5 durch Wärmediffusion oder durch Implantation von p-Typ-Störstellen wie Bor ausgebildet, so daß die Widerstände den piezoresistiven Effekt aufweisen. Ein Beschleunigungs-Er­ fassungselement 6 ist durch Verbindung dieser Widerstände in einem Brückenschaltungsaufbau mit einer durch Diffusion einer hohen Konzentration von p-Typ-Störstellen oder durch Vakuum­ ablagerung eines Metalls wie Aluminium ausgebildeten Ver­ bindung ausgebildet. Auf diese Weise ist der Halbleiterchip derart ausgebildet, daß sich eine Belastung bzw. Dehnung auf den piezoelektrischen Widerständen konzentriert.

Wenn der Beschleunigungssensor beschleunigt wird, wird der Sensorchip 3 an der Membran 5 gekrümmt bzw. gebogen und eine Belastung an der Membran 5 erzeugt, was eine Veränderung der Widerstände der piezoelektrischen Widerstände in Abhängigkeit von der Größe der Belastung (oder der Beschleunigung) hervor­ ruft. Die Veränderung der Widerstände verursacht, daß die Brückenschaltung eine unsymmetrische Ausgangsspannung er­ zeugt, die ein Maß der Beschleunigung darstellt und als Beschleunigungssignal bezeichnet wird. Da ein typisches Beschleunigungssignal gering ist, ist ebenfalls eine Signal­ verarbeitungsschaltung 7 mit einem Signalverstärker, einer Diagnoseschaltung und einer Anormalitäts- bzw. Fehler-Erfas­ sungsschaltung auf dem Halbleiterchip 3 ausgebildet.

Die vorstehend erwähnte Signalverarbeitungsschaltung 7 ist durch eine Gold- oder Aluminium-Bondverbindung 8 mit einer auf dem vorstehend erwähnten keramischen Substrat 2 ausgebil­ deten integrierten Hybridschaltung (Hybrid-IC) 10 verbunden, die ein Dickfilm-Wider­ standssubstrat mit einem Hochpaßfilter-Kondensator 9, einem (nicht dargestellten) Empfindlichkeits-Einstellwiderstand so­ wie einem (nicht dargestellten) Offset-Einstellwiderstand aufweist. (Leitungs-) Anschlüsse 11 sind mit dem keramischen Substrat 2 verbunden. Auf diese Weise wird ein Beschleuni­ gungssignal durch die Signalverarbeitungsschaltung 7 ver­ stärkt, durch die integrierte Hybridschaltung 10 verändert und dann zu einer externen Einrichtung wie einem Mikrocom­ puter über die (Leitungs-) Anschlüsse 11 übertragen. Der Sensorchip 3 und die integrierte Hybridschaltung 10 gemäß diesem Aufbau sind innerhalb eines aus PPS hergestellten, offenen Harzgehäuses 12 befestigt, wobei die (Leitungs-) An­ schlüsse 11 außerhalb des Gehäuses 12 verlaufen. Dann wird das Gehäuse 12 wie in der Figur dargestellt mit einer aus demselben Material wie die Verpackung 12 hergestellten Ab­ deckung 13 verschlossen.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das die Schaltung des in Fig. 1 abgebildeten Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 dar­ stellt. Gemäß Fig. 2 weist der Halbleiter-Beschleunigungssen­ sor 1 eine das Beschleunigungs-Erfassungselement 6 aufwei­ sende Beschleunigungs-Erfassungsschaltung 20 auf. Er weist ebenfalls eine Offset-Einstellschaltung 21, einen eine Diffe­ renzverstärkung ausführenden Vorverstärker 22, ein Hochpaß­ filter 23, einen Nachverstärker 24 und eine Referenzspan­ nungs-Zufuhrschaltung 25 auf. Die Beschleunigungs-Erfassungs­ schaltung 20 ist an die Offset-Einstellschaltung 21 und den Vorverstärker 22 angeschlossen. Der Vorverstärker 22 ist mit dem Hochpaßfilter 23 verbunden, der wiederum mit dem Nachver­ stärker 24 verbunden ist. Der Ausgang des Nachverstärkers 24 ist der Ausgang des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1. Außerdem sind das Hochpaßfilter 23 und der Nachverstärker 24 mit der Referenzspannungs-Zufuhrschaltung 25 verbunden.

Wenn der Halbleiter-Beschleunigungssensor 1 mit dem vorste­ hend beschriebenen Aufbau beschleunigt wird, gibt die Be­ schleunigungs-Erfassungsschaltung 20 ein Beschleunigungssi­ gnal zu dem Vorverstärker 22 aus, der das Beschleunigungssi­ gnal differentiell verstärkt und es zu dem Hochpaßfilter 23 überträgt. Das Hochpaßfilter 23 mit der durch die Referenz­ spannungs-Zufuhrschaltung 25 zugeführten Referenz­ spannung Vr beseitigt die Gleichspannungskomponente des durch den Vorverstärker 22 verstärkten Beschleunigungssignals und gibt es zu dem Nachverstärker 24 aus. Das durch den Nach­ verstärker 24 verstärkte Beschleunigungssignal wird über Aus­ gangsanschlüsse V_AUS ausgegeben. Die Referenzspannungs-Zu­ fuhrschaltung 25 speist ebenfalls den Nachverstärker 24 mit der Referenzspannung Vr.

Die Beschleunigungs-Erfassungsschaltung 20 weist eine aus piezoelektrischen Widerständen gebildete Brückenschaltung auf, die Veränderungen von deren eigenen Widerständen aufwei­ sen können. Daher weist die Brückenschaltung einen Offset auf. Die Offset-Einstellschaltung 21 kompensiert diese Verän­ derung. Die Beschleunigungs-Erfassungsschaltung 22 erfaßt eine Beschleunigung, die Offset-Einstellschaltung 21 stellt den Offset ein, der Vorverstärker 22 vorverstärkt das Be­ schleunigungssignal, der Nachverstärker 24 nachverstärkt das Beschleunigungssignal, und die Referenzspannungs-Zufuhrschal­ tung 25 erzeugt die Referenzspannung.

Nachstehend wird das Ausführungsbeispiel unter Bezug auf eine Schaltung näher beschrieben, die den in Fig. 1 darge­ stellten Aufbau implementiert.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung des Halbleiter-Beschleunigungs­ sensors 1, die den in Fig. 2 dargestellten Aufbau implemen­ tiert. Gemäß Fig. 3 weist die in Fig. 2 dargestellte Be­ schleunigungs-Erfassungsschaltung 20 das Beschleunigungs-Er­ fassungselement 6 mit piezoelektrischen Widerständen 30a, 30b, 30c sowie 30d auf, die in Fig. 2 dargestellte Offset-Einstellschaltung 21 weist einen Offset-Einstellwiderstand 31 auf, der in Fig. 2 dargestellte Vorverstärker 22 weist Wider­ stände 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 sowie 40 und Opera­ tionsverstärker 41, 42 sowie 43 auf, das in Fig. 2 darge­ stellte Hochpaßfilter 23 weist einen Kondensator 44 und einen Widerstand 45 auf, und der in Fig. 2 dargestellte Nachver­ stärker 24 weist eine Widerstandsschaltung 46 und einen Operationsverstärker 47 auf. Außerdem weist die in Fig. 2 dargestellte Referenzspannungs-Zufuhrschaltung 25 eine Gleichspannungsquelle 48 auf und speist das Hochpaßfilter 23 und den Nachverstärker 24 mit der Referenzspan­ nung. Genaugenommen gehört die Gleichspannungsquelle 48 sowohl zu dem Hochpaßfilter 23 als auch zu dem Nachverstärker 24.

Wie vorstehend erwähnt weist das Beschleunigungs-Erfassungse­ lement 6 die aus den vier, auf der Oberfläche der Membran des Sensorchips ausgebildeten piezoelektrischen Widerständen 30a, 30b, 30c sowie 30d bestehende Brückenschaltung auf. Eine Versorgungsspannung Vcc wird an einen der Eingangsanschlüsse der Brückenschaltung oder an den Verbindungspunkt der piezo­ elektrischen Widerstände 30a sowie 30b angelegt, während der andere Eingangsanschluß oder der Verbindungspunkt der piezo­ elektrischen Widerstände 30c und 30d geerdet ist.

Einer der Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung oder der Verbindungspunkt der piezoelektrischen Widerstände 30b und 30d ist über einen Widerstand 32 an den nichtinvertierenden Ein­ gangsanschluß des Operationsverstärkers 41 angeschlossen. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 41 ist über einen Widerstand 33 mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 41 verbunden, so daß der Operations­ verstärker 41 einen Spannungsfolger bildet. Der Widerstand des Widerstands 33 ist derart eingestellt, daß er gleich dem kombinierten Widerstand der piezoelektrischen Widerstände 30c sowie 30d ist, wenn auf das Beschleunigungs-Erfassungselement 6 keine Belastung ausgeübt wird.

Der andere Ausgangsanschluß der Brückenschaltung oder der Verbin­ dungspunkt der piezoelektrischen Widerstände 30a sowie 30c ist über den Offset-Einstellwiderstand 31 geerdet und eben­ falls über einen Widerstand 35 an den nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 42 angeschlossen. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 42 ist über einen Widerstand 36 mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 42 verbunden, so daß der Operations­ verstärker 42 einen Spannungsfolger bildet. Der Widerstand des Widerstands 36 ist derart eingestellt, daß er gleich dem kombinierten Widerstand der piezoelektrischen Widerstände 30a sowie 30b ist, wenn auf das Beschleunigungs-Erfassungselement 6 keine Belastung ausgeübt wird.

Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 41 ist über einen Widerstand 34 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 43 verbunden, während der Ausgangs­ anschluß des Operationsverstärkers 42 über einen Widerstand 37 mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operati­ onsverstärkers 43 verbunden ist. Der invertierende Eingangs­ anschluß des Operationsverstärkers 43 ist über einen Wider­ stand 38 an den Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 43 angeschlossen. Widerstände 39 sowie 40 sind in Reihe geschal­ tet, die Versorgungsspannung Vcc wird an den Widerstand 39 angelegt, und der Widerstand 40 ist gemäß Fig. 3 geerdet. Der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 43 ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 39 sowie 40 verbunden, und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 43 ist über einen Kondensator 44 mit dem invertierenden Ein­ gangsanschluß des Operationsverstärkers 47 verbunden.

Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 47 ist über einen Widerstand 45 mit dem Pluspol-Anschluß der Gleichspannungsquelle 48 verbunden, und der Minuspol-Anschluß der Gleichspannungsquelle 48 ist geerdet. Der nichtinvertie­ rende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 47 ist mit dem Pluspol-Anschluß der Gleichspannungsquelle 48 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 48 dient als Referenzspannungs-Zu­ fuhreinrichtung für den Operationsverstärker 47 und das mit dem Kondensator 44 und dem Dickfilmwiderstand 45 gebildete Hochpaßfilter. Die Widerstandschaltung 46 zur Temperaturkom­ pensation verbindet den invertierenden Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 47. Der Aus­ gangsanschluß des Operationsverstärkers 47 ist ebenfalls der Ausgangsanschluß des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1.

Das Beschleunigungs-Erfassungselement 6 weist eine negative Temperaturabhängigkeit auf. Wenn die Temperatur ansteigt, wird dementsprechend die Spannungsdifferenz zwischen den bei­ den Eingängen des Operationsverstärkers 43 verringert, der als Differenzverstärker arbeitet, und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 43 wird ebenfalls verringert. Die an den Operationsverstärker 47 angeschlossene Widerstands­ schaltung 46 weist einen oder mehrere Widerstände auf und hat eine positive Temperaturabhängigkeit, so daß der mit dem Ope­ rationsverstärker 47 ausgebildete Nachverstärker 24 eine po­ sitive Temperaturabhängigkeit aufweist. Deswegen kompensiert die Widerstandsschaltung 46 die negative Temperaturabhängig­ keit des Beschleunigungs-Erfassungselements 6 oder des Halb­ leiter-Beschleunigungssensors 1. Die Operationsverstärker 41 und 42 bilden Spannungsfolger und haben hohe Eingangsimpedan­ zen. Dementsprechend werden sie nicht durch die Impedanzver­ änderung des Beschleunigungs-Erfassungselements 6 beeinflußt und übertragen die unsymmetrischen Spannungen aus dem Be­ schleunigungs-Erfassungselement 6 zu den Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 43 mit niedriger Impedanz.

Da der Widerstand der piezoelektrischen Widerstände 30a bis 30d von deren bestimmten Werten abweichen kann, weist die mit diesen piezoelektrischen Widerständen aufgebaute Brücken­ schaltung eine Offsetschaltung zur Kompensation dieser Abwei­ chung auf. Die Offseteinstellung wird durch Abgleich bzw. Trimmen des Dickfilm-Offset-Einstellwiderstands 31 ausge­ führt.

Wenn der Halbleiter-Beschleunigungssensor beschleunigt wird, wird eine Belastung auf die Membran ausgeübt, und der Wider­ stand der piezoelektrischen Widerstände 30a bis 30d verändert sich entsprechend der Größe der Beschleunigung, was verur­ sacht, daß die mit diesen piezoelektrischen Widerständen aufgebaute Brückenschaltung unsymmetrische Ausgangsspannungen oder Beschleunigungssignale erzeugt.

Die Beschleunigungssignale weisen typischerweise kleine Si­ gnalpegel auf und werden durch den Operationsverstärker 43 differentiell verstärkt. Das differentiell verstärkte Be­ schleunigungssignal wird über das mit dem Kondensator 44 und dem Widerstand 45 ausgebildete Hochpaßfilter weitergeleitet und mit der durch die Gleichspannungsquelle 48 erzeugten Re­ ferenzspannung vorgespannt. Daher wird die Gleichspannungskomponente des Beschleunigungssignals besei­ tigt. Der Verstärker mit dem Operationsverstärker 47 ver­ stärkt außerdem das Beschleunigungssignal, beseitigt die Tem­ peraturabhängigkeit des Signals infolge des Beschleunigungs-Erfassungselements 6 und gibt das Beschleunigungssignal über die Ausgangsanschlüsse V_AUS aus.

Der Halbleiter-Beschleunigungssensor 1 mit dem Hochpaßfilter gibt nach dem Einschalten der Stromzufuhr so lange kein kor­ rektes Ausgangssignal aus, bis der Kondensator 44 des Hoch­ paßfilters vollständig aufgeladen ist. Das bedeutet, daß der Halbleiter-Beschleunigungssensor 1 eine endliche Anstiegszeit aufweist, bevor er korrekte Ausgangssignale erzeugt. Diese Anstiegszeit t wird durch die nachstehend angegebene Glei­ chung (1) wie folgt ausgedrückt:

t = CR ln |(Vm - Vr)/(k/Av)| (1),

wobei C die Kapazität des Kondensators 44, R den Widerstand des Widerstands 45, Vm die Ausgangsspannung des Vorverstär­ kers 22 bei Zimmertemperatur, d. h. die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 43 bei Zimmertemperatur, Vr die Span­ nung der Gleichspannungsquelle 48, k den Ausgangsspannungs­ fehler des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1, der den nor­ malen Betrieb des Beschleunigungssensors nicht verhindert, und Av den Verstärkungsfaktor des Nachverstärkers 24 oder den Verstärkungsfaktor des mit dem Operationsverstärker 47 ausge­ bildeten Verstärkers angeben.

Die Empfindlichkeit des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 ist durch den piezoresistiven Koeffizienten des den Sensor­ chip 3 bildenden Siliziummaterials bestimmt, das einen posi­ tiven Temperaturkoeffizienten hat. Deswegen weist der Ver­ stärkungsfaktor des mit dem Operationsverstärker 47 ausgebil­ deten Verstärkers einen negativen Temperaturkoeffizienten auf, so daß der Verstärker die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 auf­ heben kann. Deshalb ist, falls die Ausgangsspannung Vm bei den (nachstehend der Einfachheit halber jeweils als untere bzw. obere Temperaturen bezeichneten) unteren und oberen Grenzbetriebstemperaturen gleich ist, die Anstiegszeit t des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 nach dem Einschalten des Stroms länger bei der hohen Temperatur und kürzer bei der niedrigen Temperatur als durch die Gleichung (1) angegeben. In diesem Fall muß der den gesamten Temperaturbereich abdec­ kende Entwurf unter Verwendung der längsten Anstiegszeit bei der hohen Temperatur ausgeführt werden.

Falls die Anstiegszeit t bei der hohen Temperatur (tH) gleich der Anstiegszeit t bei der niedrigen Temperatur (tC) gemacht werden kann, d. h. falls tH = tC gilt, wird die Anstiegszeit bei der hohen Temperatur verringert. Dementsprechend kann die kürzere Anstiegszeit des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 für die Entwicklung des Halbleiter-Beschleu­ nigungssensors 1 für den gesamten Temperaturbereich verwendet werden. Unter der Annahme, daß weder C noch R temperaturabhängig sind, wird die Gleichung (2) durch Gleichsetzen von tH mit tC erhalten:

AvC × (VmC - Vr) = AvH × (VmH - Vr) (2),

wobei AvC den Verstärkungsfaktor des Nachverstärkers 24 bei der niedrigen Temperatur oder den Verstärkungsfaktor des mit dem Operationsverstärker 47 aufgebauten Verstärkers bei der niedrigen Temperatur, AvH den Verstärkungsfaktor des Nachver­ stärkers 24 bei der hohen Temperatur oder den Verstärkungs­ faktor des mit dem Operationsverstärker 47 aufgebauten Ver­ stärkers bei der hohen Temperatur, VmC die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 22 bei der niedrigen Temperatur oder die Ausgangsspannung Vm des Operationsverstärkers 43 bei der nie­ drigen Temperatur, VmH die Ausgangsspannung des Vorverstär­ kers 22 bei der hohen Temperatur oder die Ausgangsspannung Vm des Operationsverstärkers 43 bei der hohen Temperatur ange­ ben. Wie vorstehend erwähnt wird angenommen, daß C und R nicht temperaturabhängig sind.

VmC sowie VmH werden durch die nachstehend angegebenen Glei­ chungen (3) und (4) wie folgt ausgedrückt:

VmC = α × VmR (3),

VmH = β × VmR (4),

wobei VmR die Ausgangsspannung des Vorverstärkers 22 bei Zim­ mertemperatur oder die Ausgangsspannung Vm des Operationsver­ stärkers 43 bei Zimmertemperatur und α sowie β positive Kon­ stanten sind.

Durch geeignete Einstellung von Vm bei Zimmertemperatur durch Abgleich des Offset-Einstellwiderstands 31 und unter Verwendung der Gleichungen (3) und (4) kann die Glei­ chung (2) erfüllt werden und daher die Anstiegszeit t bei der hohen Temperatur verringert werden. Deswegen kann bei der Entwicklung des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 die kür­ zere Anstiegszeit verwendet werden, d. h. die Zeit, die dazu erforderlich ist, daß der Halbleiter-Beschleunigungssensor 1 stabile Ausgangssignale nach dem Einschalten des Stroms er­ zeugt.

Obwohl gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Vorver­ stärker 22 einen einstufigen Differenzverstärker verwendet, kann er mit einem mehrstufigen Differenzverstärker aufgebaut sein, der eine Vielzahl von Operationsverstärkern verwen­ det. Auf ähnliche Weise kann, obwohl der Nachverstärker 24 ein einstufiger Verstärker ist, er ebenfalls ein mehrstufiger Verstärker sein.

Nachstehend wird ein Betriebsbeispiel des Halbleiter-Beschleunigungssensors gemäß dem Ausführungsbeispiel gegeben.

Es wird angenommen, daß die Versorgungsspannung Vcc 5 V be­ trägt. Die Anstiegszeiten gemäß dem Ausführungs­ beispiel werden unter Verwendung der folgenden Parameter mit herkömmlichen Werten verglichen:

Referenzspannung: 2,5 V
Vm bei hoher Temperatur (VmH): 3V
Vm bei niedriger Temperatur (VmC): 3V
Zeitkonstante (CR) des Hochpaßfilters: 0,1
k/Av bei Zimmertemperatur (k/AvR): 100/10
k/Av bei niedriger Temperatur (k/AvC): 100/9
k/Av bei hoher Temperatur (k/AvH): 100/11.

Bei dem herkömmlichen Verfahren wird der Abgleich derart ausgeführt, daß VmR = Vr gilt, was ergibt:

t bei Zimmertemperatur (tR): 0 s
t bei niedriger Temperatur (tc): 4,5 s
t bei hoher Temperatur (tH): 5,5 s.

Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbei­ spiel wird der Abgleich derart ausgeführt, daß sämtliche Gleichungen (2) bis (4) erfüllt sind. Falls VmR auf beispielsweise 2,45 V eingestellt wird, erhalten wir:

t bei Zimmertemperatur (tR): 0,05 s
t bei niedriger Temperatur (tc): 4,95 s
t bei hoher Temperatur (tH): 4,95 s.

Unter Verwendung dieses Verfahrens kann die Anstiegszeit t des Halbleiter-Beschleunigungssensors 1 nach dem Einschalten des Stroms um 10% über den gesamten Betriebstemperaturbe­ reich verringert werden (hohe Temperatur). Vorstehend bedeu­ ten Zimmertemperatur 25°C, die hohe Temperatur 85°C und die niedrige Temperatur -40°C.

Wie vorstehend beschrieben wird der Halblei­ tersensor derart hergestellt, daß die maximale Anstiegszeit des Ausgangssignals des Nachverstärkers des Halbleitersensors nach dem Einschalten des Stroms durch Einstellung der Aus­ gangsspannung Vm des Vorverstärkers durch Einstellung der Offset-Einstellschaltung verringert wird. Im einzelnen wird die Ausgangsspannung VmR des Vorverstärkers bei Zimmertemperatur derart eingestellt, daß die folgenden drei Gleichungen gleichzeitig erfüllt sind:

AvC × (VmC - Vr) = AvH × (VmH - Vr),

VmC = α × VmR,

VmH = β × VmR.

Diese Einstellung verringert die Anstiegszeit eines Halblei­ tersensors über den gesamten, garantierten Betriebstempera­ turbereich und schafft einen genauen Halbleitersensor, der erlaubt, daß die Entwicklung mit diesem Halbleitersensor diese verringerte Anstiegszeit verwendet.

Die Offset-Einstellschaltung weist mit einem Widerstandsmate­ rial auf eine gedruckte Leiterplatte gedruckte, einfach auf­ gebaute Widerstände auf, und die Einstellung der Ausgangs­ spannung Vm des Vorverstärkers wird durch Abgleich der gedruckten Widerstände ausgeführt. Deshalb kann der Halbleitersensor mit einer über den gesamten Betriebstempera­ turbereich garantierten, verringerten Anstiegszeit leicht und mit geringen Kosten hergestellt werden.

Claims (5)

1. Halbleitersensor, der einen Halbleiter als Sensorelement verwendet, mit
einer Sensoreinrichtung (20), die eine mit piezoelektri­ schen Widerständen (30a, 30b, 30c, 30d) mit piezoresistivem Halbleiter-Effekt ausgebildete Brückenschaltung aufweist,
einem Hochpaßfilter (23) mit einem Kondensator (44) und einem Widerstand (45),
einem Vorverstärker (22), der vor dem Hochpaßfilter (23) angeordnet ist und eine durch die Sensoreinrichtung (20) er­ zeugte, unsymmetrische Spannung differentiell verstärkt,
einem Nachverstärker (24), der hinter dem Hochpaßfilter (23) angeordnet ist und eine durch den Vorverstärker (22) verstärkte und aus dem Hochpaßfilter (23) ausgegebene Aus­ gangsspannung verstärkt,
einer Referenzspannungs-Zufuhreinrichtung (25), die das Hochpaßfilter (23) und den Nachverstärker (24) mit einer Re­ ferenzspannung (Vr) speist, und
einer Offset-Einstelleinrichtung (21), die zur Offset-Einstellung der Sensoreinrichtung (20) die Ausgangsspannung (Vm) des Vorverstärkers (22) einstellt, indem sie eine Zimmertemperatur-Ausgangsspannung (VmR) des Vorverstärkers (22) derart einstellt, daß die folgenden Gleichungen erfüllt sind: AvC × (VmC - Vr) = AvH × (VmH - Vr),VmC = α × VmR,VmH = β × VmR,wobei AvC den Verstärkungsfaktor des Nachverstärkers (24) bei der unteren Grenzbetriebstemperatur, AvH den Verstärkungsfak­ tor des Nachverstärkers (24) bei der oberen Grenzbetriebstem­ peratur, VmC die Ausgangsspannung (Vm) des Vorverstärkers (22) bei der unteren Grenzbetriebstemperatur, VmH die Aus­ gangsspannung (Vm) des Vorverstärkers (22) bei der oberen Grenzbetriebstemperatur und α sowie β positive Proportionali­ tätskonstanten bezeichnen.

2. Halbleitersensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Offset-Einstelleinrichtung (21) die Ausgangsspannung (Vm) des Vorverstärkers (22) derart einstellt, daß die An­ stiegszeit des Ausgangssignals des Nachverstärkers (24) nach dem Einschalten der Stromzufuhr bei der oberen Grenzbetriebs­ temperatur des Halbleitersensors (1) gleich der Anstiegszeit bei der unteren Grenzbetriebstemperatur ist.

3. Halbleitersensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Offset-Einstelleinrichtung (21) zumindest einen auf eine gedruckte Leiterplatte gedruckten Widerstand aufweist, der zur Einstellung der Ausgangsspannung (Vm) des Vorverstärkers (22) getrimmt wird.

4. Verfahren zur Einstellung eines Ausgangssignals eines Halbleitersensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten
Messen der folgenden Größen in Voraus: der Verstärkungs­ faktoren AvH sowie AvC des Nachverstärkers (24) bei den obe­ ren und unteren Grenzbetriebstemperaturen und der Ausgangs­ spannungen VmH sowie VmC des Vorverstärkers (22) bei den obe­ ren und unteren Grenzbetriebstemperaturen und
Einstellen der Ausgangsspannung (Vmr) des Vorverstärkers (22) bei Zimmertemperatur durch Einstellung der Offset-Ein­ stelleinrichtung (21).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Offset-Einstelleinrichtung (21) durch einen auf einer ge­ druckten Leiterplatte gedruckten Widerstand (31) gebildet ist und der Schritt der Einstellung durch Trimmen des Widerstands (31) erfolgt.