DE19825761C2

DE19825761C2 - Vorrichtung zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer Stauchung eines Körpers

Info

Publication number: DE19825761C2
Application number: DE1998125761
Authority: DE
Inventors: Bernd Hillerich; Michael Feil; Stefan Seitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: DE19825761A1; EP0964252A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer Stauchung eines Körpers, insbesondere auf Dehnungsmeßstreifen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 wie aus GB 1223810 bekannt. Derartige Vorrichtungen reagieren mit einer Widerstandsän derung auf eine Dehnung oder Stauchung und finden als Meß wandler bei Kraft- und Drehmomentsensoren, bei Waagen, bei der Werkstoffprüfung und zur Spannungs- bzw. Dehnungsanalyse eine vielfältige Verwendung.

Die Wirkung von Dehnungsmeßstreifen (im folgenden als DMS bezeichnet) beruht auf folgendem Effekt: Wird ein elek trischer Leiter so auf einem Meßobjekt, im folgenden als Federkörper bezeichnet, angeordnet, daß er von ihm elek trisch isoliert ist, dessen Dehnung und/oder Stauchung je doch mitmacht, so ändert sich der elektrische Widerstand R des Leiters annähernd proportional zur Dehnung ∈. Für Deh nungen im Bereich bis ca. 0,5% der Länge des nicht gedehnten Streifens gilt für die relative Widerstandsänderung folgende Gleichung:

ΔR/R = K × ∈

mit K = K-Faktor, auch als Dehnungsempfindlichkeit be zeichnet.

Für Konstantan, ein bei Dehnungsmeßstreifen häufig verwen detes Metall ist der K-Faktor gleich 2. Andere Metalle haben ähnliche K-Faktoren. Die nachzuweisenden relativen Wider standsänderungen sind sehr klein, sie liegen typischerweise im Bereich von 10^-8 bis 5 × 10^-3.

Eine aus dem Stand der Technik bekannte Brockenschaltung mit vier Dehnungsmeßstreifen und einer Temperaturkompensations schaltung ist in Fig. 6a und in Fig. 6b dargestellt. Die in Fig. 6b dargestellte Brückenschaltung ist in ihrer Gesamt heit mit dem Bezugszeichen 600 versehen und umfaßt vier Ele mente bzw. Dehnungsmeßstreifen bzw. Widerstandsbahnen R₁, R₂, R₃ und R₄. Die Dehnungsmeßstreifen sind in einer Brücke verschaltet, wobei die Elemente R₁ und R₃ in einem ersten Brückenzweig 602 angeordnet sind, und die Elemente R₂ und R₄ in einem zweiten Brückenzweig 604 angeordnet sind. Über ei nen Knoten 606 im ersten Brückenzweig 602, zwischen den Elementen R₁ und R₃, und über einen zweiten Knoten 608 im zweiten Brückenzweig 604 zwischen den Elemente R₄ und R₂ wird das Brückenausgangssignal abgegriffen und über Lei tungen 610 und 612 einem Brückenverstärker 614 zugeführt, auf dessen Ausgangsleitung 616 ein Meßsignal anliegt, das eine Dehnung oder Stauchung anzeigt. Der Brückenverstärker 614 kann als Differenzverstärker ausgeführt sein, der eine Spannungsdifferenz zwischen den Knoten 606 und 608 ver stärkt.

Die in Fig. 6b dargestellten Elemente R₁ bis R₄ haben nomi nell den gleichen Widerstandswert.

Über einen ersten Anschluß 618 ("+") und einen zweiten An schluß 620 ("-") wird die Brückenschaltung 600 mit der er forderlichen Brückenspannung bzw. Betriebsspannung beauf schlagt.

Zusätzlich zu den in Fig. 6b dargestellten Schaltungselemen ten kann die Brückenschaltung eine Temperaturkompensations schaltung umfassen, die in Fig. 6a dargestellt ist. In Fig. 6a ist beispielhaft der zweite Brückenzweig 604 aus Fig. 6b dargestellt, welcher die Elemente R₂ und R₄ aufweist, zwi schen die ein temperaturabhängiger Widerstand R_T geschaltet ist.

Verschiedene Ausführungsformen von Dehnungsmeßstreifen sind bekannt, wie sie beispielsweise von D. Juckenach, im "Hand buch der Sensortechnik - Messen mechanischer Größen", Verlag moderne Industrie, 1989 beschrieben sind.

Ein bekannter Dehnungsmeßstreifen ist der sogenannte Draht- Dehnungsmeßstreifen, der in Fig. 7 näher dargestellt ist. Der Draht-DMS 700 umfaßt einen mäanderförmig angeordneten Draht 702, der zwischen zwei isolierenden Folien 704 (in Fig. 7 ist nur eine dieser Folien dargestellt) eingebettet ist. Ferner sind zwei Anschlüsse 706a und 706b vorgesehen, die mit dem Draht 702 in Verbindung sind. Der mäanderförmig angeordnete Draht 702 hat eine Meßlänge L im Bereich von 5 bis 50 mm, und eine Breite B. Aufgrund der aufwendigen Her stellung und der eingeschränkten Miniaturisierbarkeit werden Draht-DMS heute nur noch in Ausnahmefällen verwendet.

In Fig. 8 ist ein Folien-DMS gemäß dem Stand der Technik dargestellt, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 800 bezeichnet ist. In Fig. 8a ist eine Querschnittsdarstel lung des Folien-DMS gezeigt, der eine Trägerfolie 802 um faßt, auf der eine Metallfolie bzw. Folienstruktur 804 ange ordnet ist. Auf der Metallfolie 804 ist eine Abdeckfolie 806 angeordnet. Mit 808 ist ein Anschlußdraht des Folien-DMS bezeichnet.

Wie in Fig. 8b zu erkennen ist, ist die Metallfolie 804 der art strukturiert, um eine mäanderförmige Struktur 810 zu ha ben. Eine solche Struktur wird auch als Meßgitter bezeich net. Ferner sind in der Metallfolie 804 entsprechende Be reiche 812 vorgesehen, um die Anschlußdrähte 808 wirksam mit der Metallfolie 804 zu verbinden. Durch die Metallfolie und deren Strukturierung sind komplizierte Strukturen und sehr kleine Abmessungen unterhalb eines Millimeters realisierbar. Typische Abmessungen eines Folien-DMS liegen im Bereich zwischen 3 × 5 mm² und 10 × 200 mm².

In Fig. 9 ist eine Dehnungsmeßstreifenelement 900 darge stellt, welches aus vier, mit einem Winkel von 90° zueinan der orientierten Meßgittern 800a, 800b, 800c und 800d gebil det ist. Über entsprechende Leiterstrukturen 902a, 902b, 902c und 902d sind die verschiedenen Meßgitter mit Anschlußkontakten 904a, 904b, 904c, 904d und 904e verbunden.

Durch den Pfeil 906 ist in Fig. 9 eine Dehnungsrichtung dar gestellt. Bei einer Dehnung der in dem Dehnungsmeßstreifen element 900 in die durch den Pfeil 906 gekennzeichneten Richtung ist die Widerstandsänderung der Meßgitter 800a und 800d positiv, die der Meßgitter 800b und 800c negativ.

In Fig. 10 ist eine typische Vollbrücke gemäß dem Stand der Technik dargestellt, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugs zeichen 1000 versehen ist. Die Vollbrücke 1000 umfaßt vier aktive Elemente bzw. Dehnungsmeßstreifen 1002, 1004, 1006 und 1008, wobei die Elemente bzw. Dehnungsmeßstreifen 1004 und 1006 in einem ersten Brückenzweig 1012, und die Elemente bzw. Dehnungsmeßstreifen 1002 und 1008 in einem zweiten Brückenzweig 1010 angeordnet sind. Die Brücke wird mit einer Betriebsspannung U_Bat beaufschlagt, und ein Meß signal U_sig wird abgegriffen. Optional kann zwischen den Anschlüssen zum Anlegen einer Versorgungsspannung und den zwei Brückenzweigen jeweils ein Temperaturkompensations widerstand 1014 angeordnet sein. Durch die den jeweiligen Elemente bzw. Dehnungsmeßstreifen 1002 bis 1008 zugeordneten Bezeichnungen +∈ bzw. -∈ ist dargestellt, auf welche Art und Weise die jeweiligen Widerstände durch eine Dehnung beeinflußt werden. Gemäß der Vollbrückenschaltung mit vier aktiven Dehnungsmeßstreifen werden sämtliche Widerstände in der Brücke durch die Dehnung beeinflußt, im Gegensatz zu solchen Vollbrückenanordnungen, bei denen nur eines oder zwei Meßgitter gedehnt werden. Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung wird am häufigsten im Sensor bau eingesetzt, da sie bei einer gegebenen Betriebsspannung U_Bat der Brücke die größte Signalspannung U_sig bei einer bestimmten Dehnung ergibt, und zusätzlich eine teilweise Temperaturkompensation ermöglicht.

Die anhand der Fig. 6 bis 10 beschriebenen Dehnungsmeßstrei fen haben jedoch die nachfolgend dargelegten Nachteile.

Zum einen sind bei Metall-Dehnungsmeßstreifen die verwen deten Metalle nicht ermüdungsfrei, so daß nach 10⁵ bis 10⁷ Bewegungszyklen ein Nullpunktfehler auftreten wird, der typischerweise einer Dehnung von 60 ppm entspricht.

Ein weitere Nachteil besteht darin, daß die thermischen Expansionskoeffizienten (TKE) der Dehnungsmeßstreifen und des Federkörpers, auf dem derselbe befestigt ist, in der Regel unterschiedlich sind. Bei einer Temperaturänderung re sultiert dies in einer scheinbaren Dehnung bzw. Stauchung. Bei Metallen liegt der thermische Expansionskoeffizient im Bereich von 1 bis 30 ppm/K, bei Keramiken und Gläsern gilt: TKE = 1 bis 10 ppm/K und bei Kunststoffen ist TKE = 10-300 ppm/K. Um die Nachteile der unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten auszuräumen, lassen sich für gewisse Metalle, wie z. B. Stähle mit TKE = 11 ppm/K oder Aluminium mit TKE = 23 ppm/K Widerstandsschichten finden, die ungefähr den gleichen thermischen Expansionskoeffizienten besitzen, so daß in diesen Fällen der Effekt der scheinbaren Dehnung bzw. Stauchung minimiert ist. Für so wichtige Konstruktions werkstoffe wie Keramiken und Kunststoffe ist dies jedoch nicht möglich.

Ein weitergehender Nachteil der oben beschriebenen Dehnungs meßstreifen besteht darin, daß der Elastizitätsmodul der meisten als Federkörper verwendeten Materialien von der Tem peratur abhängig ist. Hierdurch wird der Skalenfaktor bei einer Kraftmessung verfälscht. Dieser Fehlereffekt beträgt bei Stahl z. B. 3 × 10^-4/K, bei Aluminium 7 × 10^-4/K. Eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Elastizitäts moduls ist beispielsweise durch temperaturabhängige Serien widerstände (siehe Fig. 10, Bezugszeichen 1014) möglich, jedoch müssen die einzelnen Widerstände in der Regel indi viduell getrimmt werden. Diese Art der Kompensation ist müh sam und nur für eine stark eingeschränkte Materialauswahl möglich.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Dehnungsmeßstreifen be steht in den unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der Brücken-Widerstände und/oder der Verstimmung der Brücke auf grund der unterschiedlichen Temperaturen der einzelnen Meß gitter. Hierdurch entsteht eine temperaturabhängige Fehler spannung _U_sig, auch als thermischer Offset (TKO) bezeichnet. Eine Kompensation des TKO ist z. B. mit einem in die Brücke eingefügten temperaturabhängigen Widerstand R_T (siehe Fig. 6) möglich, dessen Wert in der Regel jedoch individuell ein gestellt werden muß, z. B. durch partielles, lokales Abtra gen einer Widerstandsschicht. Dies ist ein aufwendiges Ver fahren, das für viele Anwendungen von Dehnungsmeßstreifen, z. B. aufgrund deren Unzugänglichkeit oder den zu kleinen Abmessungen, nicht möglich ist.

Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Dehnungsmeßstreifen besteht darin, daß das Meßsignal selbst sehr klein ist, es liegt im Größenbe reich von 10^-8 bis 10^-2 der Betriebsspannung U_Bat der Brücke. Da sich die Auswertungselektronik beabstandet von den Dehnungs meßstreifen befindet, ist ein solches System zusätzlich an fällig gegen elektromagnetische Störsignale.

Im Stand der Technik sind ferner Halbleiter-Dehnungsmeß streifen bekannt, die in der Regel aus einem dotierten Si lizium-Einkristall in einer bestimmten Orientierung als dünne Streifen herausgeschnitten sind. In Fig. 11 ist ein Halbleiter-DMS-Element gezeigt, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1100 bezeichnet ist. Ein Silizium-DMS 1102 ist in eine Folie 1104 eingebettet, und über Bonddrähte 1106 und 1108 sind Anschlußflächen 1110 und 1112 des Silizium-DMS 1102 mit Anschlußflächen 1114 und 1116 des Halbleiter-DMS-Elements 1100 verbunden, die ihrerseits mit Anschlußdrähten 1118 und 1120 verbunden sind. Typische Abmessungen von Silizium-Dehnungs meßstreifen sind: Dicke 0,05 bis 0,15 mm, Breite: 0,2 bis 0,6 mm, Länge: 1 bis 6 mm.

Gegenüber Metallen haben Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen den Vorteil, das diese einen wesentlich höheren K-Wert aufwei sen, der von der Dotierung abhängt und im Bereich von K ≈ -150 bis +150 liegt. Bei p-dotiertem Silizium ist K positiv, und bei n-dotiertem Silizium ist K negativ. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen ermüdungsfrei sind und, wie es für gewisse Anwendungen von Bedeutung ist, kleinere Abmessungen aufweisen.

Ein Nachteil von Dehnungsmeßstreifen auf der Grundlage von Halbleitermaterialien besteht in deren schlechter Linearität und in der Sprödigkeit von Silizium. Daher sind Silizium- Dehnungsmeßstreifen nur bis Dehnungen von ∈ < 0,5% einsetz bar.

Ferner weisen Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen auch die oben beschriebenen Nachteile von Metall-Dehnungsmeßstreifen be züglich der thermischen Expansionskoeffizienten, des Ela stizitätsmoduls und der Verstimmung der Meßbrücken auf.

Neben der Verwendung von Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen ist auch der Einsatz von in einer Scheibe eines Silizium-Ein kristalls eindiffundierten oder implantierten piezoresis tiven Widerstandsbahnen bekannt, wobei derartige Widerstände in einem gemeinsamen Siliziumsubstrat eingebracht sind, und z. B. zu einer Vollbrücke verschaltet werden. Eine solche Anordnung findet Einsatz bei Drucksensoren, bei denen die Dehnung einer Membran in Folge einer Druckbelastung durch piezoresistive Widerstandsbahnen gemessen wird (siehe z. B. H. Sandmaier und K. Kühl, "Piezoresistive Low-Pressure Sensor with High Sensitivity and High Accuracy", Sensors and Actuators, A21-23 (1990), Seiten 142-145).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Er fassung einer Dehnung und/oder einer Stauchung eines Körpers zu schaffen, die ein hohes Ausgangssignal bei hoher Stör sicherheit erzeugt, wobei die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung einen Silizium-Dehnungsmeßstreifen mit einer integrierten Auswertungselektronik, was den Vorteil hat, daß die relativ niedrigen Ausgangssignale der üblicher weise verwendeten Brückenschaltung ohne größere Umwege direkt der Auswertungselektronik zugeführt werden, wodurch sich eine erhöhte Störsicherheit ergibt, und die Ausgangs signale des Silizium-Dehnungsmeßstreifens einen ausreichend hohen Pegel aufweisen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Dehnungsmeßstreifen ferner einen Temperatursensor auf, der auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, um eine Kompensation von Temperatureinflüs sen zu ermöglichen.

Wiederum gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbei spiel sind die piezoresistiven Widerstandselemente, die Aus wertungseinrichtung und der Temperatursensor auf einem ge dünnten Siliziumsubstrat monolithisch integriert, wobei die einzelnen Schaltungselemente angeordnet sind, bevorzugter weise in gleicher Orientierung zur Richtung einer Dehnung oder Stauchung, um Einflüsse der Dehnung oder Stauchung auf die einzelnen Schaltungselemente zu kompensieren.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Er findung sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen, in denen auch der Stand der Technik dargestellt ist, be vorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, in denen auch der Stand der Technik dargestellt ist, näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsichtdarstellung einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsichtdarstellung einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine seitliche Querschnittdarstellung der Vorrich tung aus Fig. 2;

Fig. 4a eine seitliche Querschnittdarstellung einer Vorrich tung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4b eine seitliche Querschnittdarstellung einer Vorrich tung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4c eine Draufsichtdarstellung der Vorrichtung aus Fig. 4b;

Fig. 5 ein Blockdiagramm der Auswertungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Vorliegenden Erfin dung;

Fig. 6a und 6b eine Brückenschaltung mit vier Dehnungsmeß streifen und einer Temperaturkompensationsschaltung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 7 einen Draht-Dehnungsmeßstreifen gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 8 einen Folien-Dehnungsmeßstreifen gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 9 einen Folien-Dehnungsmeßstreifen mit vier Meßgittern gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 10 ein Schaltbild einer Vollbrückenschaltung mit vier Dehnungsmeßstreifen gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 11 einen Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen gemäß dem Stand der Technik.

In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführ ungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Zeichnungen für gleiche Elemente auch die gleichen Bezugs zeichen verwendet.

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird nachfolgend ein erstes Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.

Die Vorrichtung ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet und umfaßt im allgemeinsten Fall ein verformbares Halbleitersubstrat bzw. Siliziumsubstrat 102 mit einer ersten Hauptoberfläche 104 und einer zweiten Hauptoberfläche 106. Auf der ersten Hauptoberfläche 104 des Halbleitersubstrats 102 sind vier Elemente R₁, R₂, R₃ und R₄ angeordnet, die zumindest eine physikalische Eigenschaft aufweisen, die sich abhängig von einer Dehnung und/oder Stauchung des Halbleitersubstrats ändert, wobei das Halb leitersubstrat 102 auf einen Körper aufbringbar ist, dessen Dehnung und/oder Stauchung zu erfassen ist, und aufgrund seiner verformbaren Eigenschaft eine entsprechende Dehnung und/oder Stauchung des Körpers nachvollzieht.

Neben den Elemente R₁ bis R₄ sind verschiedene Schaltungs elemente 108, 110 und 112 einer Auswertungseinrichtung auf der ersten Hauptoberfläche 104 des Halbleitersubstrats 102 angeordnet, wobei die Schaltungselemente 108 bis 112 derart mit den Elementen R₁ bis R₄ verbunden sind, um ein von der Dehnung und/oder Stauchung abhängiges Meßsignal zu erzeugen. In Fig. 1 ist durch den Pfeil 114 die Richtung einer Dehnung des Halbleitersubstrats 102 angezeigt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Elemen te R₁ bis R₄ piezoresistive Widerstände, und die Schaltungs elemente 108 und 112 sind Verstärkereinrichtungen. Optional kann das Schaltungselement 110 durch einen Temperatursensor gebildet sein, der mit den verbleibenden Schaltungselementen verbunden ist, um ein temperaturkompensiertes Meßsignal zu erzeugen.

Bevorzugterweise ist das Halbleitersubstrat ein Silizium- Einkristall mit einer Dicke von 5 bis 100 µm, in dem sich zusätzlich zu dem einen oder den mehreren piezoresistiven Widerständen, die als Widerstandsbahnen ausgebildet sein können, mindestens der eine Temperatursensor und die Aus wertungsschaltung befindet, die beispielsweise einen Brückenverstärker und Schaltungselemente 112 zur Temperaturkompensation des Brücken-Offsets und des Skalen faktors umfaßt. Durch die Integration dieser Schaltungs elemente erhält man eine hohe Störsicherheit aufgrund des hohen Ausgangssignals, das typischerweise bei einigen Volt liegt, und eine Kompensation der Temperatureffekte beim Offset und beim Skalenfaktor. Die Schaltungselemente 108, 110, 112 sind mit den als Dehnungsmeßstreifen wirkenden Elementen R₁ bis R₄ monolithisch integriert.

Die Silizium-Dehnungsmeßstreifen haben gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Dicke von z. B. nur 5 bis 10 µm, und eignen sich aufgrund ihrer hohen Flexibilität vor allem zum Anbringen auf stark gekrümmten Körpern bzw. Federkörpern.

Zur Realisierung des Dehnungsmeßstreifens mit integrierter Elektronik werden konventionelle Silizium-Scheiben (Wafer) mit einer Dicke von 0,5 bis 0,7 mm mit herkömmlichen Halbleitertechnologieverfahren prozessiert, und anschließend erfolgt das Dünnen der Wafer auf die endgültige Dicke, z. B. mit Hilfe eines Trägers, auf dem der zu dünnende Wafer befestigt ist. Das Dünnen erfolgt durch Schleifen, Ätzen, chemisch-mechanisches Polieren oder durch eine Kombination dieser herkömmlichen Verfahren.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 100 sind die vier Elemente R₁ bis R₄ derart angeordnet, daß bei einer Dehnung in Richtung des Pfeils 114, p-dotiertes Silizium für die Brückenwiderstände vorausgesetzt, die Widerstandswerte von R₁ und R₂ zunehmen, und die Widerstandswerte von R₃ und R₄ dagegen abnehmen. Es ist offensichtlich, daß anstelle des p-dotierten Siliziums auch n-dotiertes Silizium verwendet werden kann. Die elektronischen Schaltungselemente 108, 112 sowie das Schaltungselement 110 sind mit allgemein bekannten Verfahren, z. B. als pn-Übergang, realisiert und sind auf dem Dehnungsmeßstreifen-Chip mitintegriert. Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind die vier aktiven Dehnungsmeßstreifen bzw. Elemente R₁ bis R₄ entsprechend der in Fig. 10 dargestellten Vollbrückenschaltung angeordnet. Grundsätzlich ist, wie auch bei metallischen Folien-Dehn ungsmeßstreifen eine weitgehend beliebige Anordnung und Orientierung mehrerer Widerstandsbahnen möglich, die auch zu mehreren Brückenschaltungen zusammengefaßt sein können.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird nachfolgend ein weiteres bevor zugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschrieben. Die Vorrichtung 100 umfaßt das gedünnte Halb leitersubstrat 102 sowie die Schaltungselemente 108 und 110, und die Schaltungselemente 112a und 112b. Entgegen dem Bei spiel aus Fig. 1 sind entlang der Längskanten des Halb leitersubstrats 102 piezoresistive Widerstandsbahnen 116 und 118 ausgebildet. Um die Vorrichtung zu schützen, ist eine isolierende Schicht als Folie 120 auf der Hauptoberfläche 104 des Halbleitersubstrats 102 angeordnet, die sich über die Abmes sungen des Halbleitersubstrats 102 hinaus erstreckt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die obere isolierende Folie 120 eine Ausnehmung 122 auf, die die Widerstandsbahnen 116 und 118 sowie die Schaltungselemente 108 bis 112a freilegt. Die von der Folie 120 überdeckten Kanten des Halbleitersubstrats sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Die isolierende Folie 120 kann z. B. durch ein Polyimid oder durch glasfaserverstärktes Phenolharz gebildet sein und isoliert bzw. schützt die Dehnungsmeßstreifenan ordnung. Zwischen der Folie 120 und dem Halbleiter substrat 102 sind Anschlußflächen 124a, 124b und 124c gebildet, die über Leiterbahnen 126a1, 126a2, 126b1, 126b2, und 126c1, 126c2 mit Anschlußflächen 128a, 128b und 128c verbunden sind. Die Leiterbahnen 126a1, 126b1 und 126c1 sind auf der dem Halbleitersubstrat 102 zugewandten Oberfläche der Folie 120 gebildet und über Durchkontaktierungen 132a, 132b und 132c mit den Leiterbahnen 126a2, 126b2 und 126c2 auf der vom Halbleitersubstrat 102 abgewandten Oberfläche der Folie 120 verbunden. Die Leiterbahnen 126a1 bis 126c2 und die Anschlußflächen 128a bis 128c können jedoch auch auf der dem Halbleitersubstrat 102 abgewandten Oberfläche der isolierenden Folie 120 angeordnet sein und entsprechend mit den Anschlußflächen 124a, 124b, 124c verbunden sein. Die An schlußflächen 128a bis 128c sind für die Anschlüsse von Drahtverbindungen zu weitergehenden Schaltungselementen vorgesehen.

Ferner kann, wie in Fig. 2 gezeigt ist, eine weitere An schlußfläche 128d vorgesehen sein, die beispielsweise dazu dient, der Vorrichtung 100 die erforderliche Betriebsspan nung zuzuführen. Die Anschlußfläche 128d ist - wie die üb rigen Anschlußpads - über Leiterbahnen 126d1 und 126d2 mit einer Anschlußfläche 124d auf dem Halbleitersubstrat verbunden. Eine Kontaktierung verbindet die Leiterbahnen 126d1 und 126d2 miteinander.

Anstelle der in Fig. 2 verwendeten Folie 120 mit einer Aus nehmung 122 kann auch eine Folie ohne Ausnehmung verwendet werden, die die Oberfläche des Halbleitersubstrats 102 voll ständig bedeckt.

In Fig. 3 ist eine seitliche Querschnittdarstellung der in Fig. 2 beschriebenen Anordnung dargestellt, wobei die be reits anhand der Fig. 2 beschriebenen Elemente nicht erneut beschrieben werden. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, weist die Folie 120 auf deren dem Halbleitersubstrat 102 zugewandten die Anschlußfläche 124a berührend die Leiterbahn 126a1 auf, die mit der Anschlußfläche 124a auf dem Halblei tersubstrat 102 verbunden ist, um so die Ausgabe der erfaß ten Meßsignale über die Anschlußfläche 128a zu ermöglichen. Zusätzlich ist dargestellt, wie die Vorrichtung 100 auf ei nem Körper 134 angeordnet ist, dessen Dehnung bzw. Stauchung zu erfassen ist. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, erfolgt die Be festigung der Vorrichtung 100 auf dem Körper 134 über eine geeignete Zwischenschicht 136, z. B. eine Klebeschicht, die eine feste Verbindung mit dem Körper 134 sicherstellt.

Die Kontaktierung erfolgt über die Anschlußfläche 124a bis 124d des Halbleitersub strats 102 über die Durchkontaktierungen 132a bis 132d mit den Leiterbahnen 126a2 bis 126d2 auf der Oberseite der Folie 120 durch Bonden, Lötung oder durch leitfähigen Kleber.

In Fig. 4a ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem schematisch das Halbleitersubstrat 102 gezeigt ist, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß dasselbe auch die in Fig. 2 bereits beschriebenen Elemente aufweist. Ferner ist die Folie 120 als das Substrat vollständig be deckend dargestellt, und zusätzlich zu der oberen Folie 120 ist eine untere Trägerfolie 138 vorgesehen, um die Unterseite des gegen Kratzer empfindlichen Halbleitersub strats 102 zu schützen.

Anstelle, der anhand der Fig. 2 bis 4a beschriebenen Anord nung des Halbleitersubstrats, bei dem die Hauptoberfläche 104, auf der die Schaltungselemente und die Widerstandsbahnen angeordnet sind, benachbart zu der oberen Folie angeordnet sind, kann das Halbleitersubstrat auch derart angeordnet sein, daß die Hauptoberfläche mit den Schaltungselementen und den Wi derstandsbahnen benachbart zu einer Oberfläche der unteren Trägerfolie angeordnet sind, wie dies in Fig. 4b gezeigt ist. Die Hauptoberfläche 104 mit den Kontakten bzw. An schlußflächen 124a bis 124d (gezeigt sind nur 124b und 124d) ist benachbart zu der unteren Trägerfolie 138 angeordnet. Auf der unteren Trägerfolie 138 sind die Anschlußflächen 128a bis 128d (gezeigt sind nur 128b und 128d) gebildet, die durch eine Öffnung 140a bis 140d (gezeigt sind nur 140b, 140d) in der ersten oder oberen Folie 120 freigelegt sind. Die beiden Folien 120, 138 sind miteinander verbunden, wie dies in Fig. 4b gezeigt ist. Die Anschlußflächen 124a bis 124d des Halbleitersubstrats 102 sind über Leiterbahnen 142a bis 142d (gezeigt sind nur 142b und 142d) auf der unteren Träger folie 138 mit den Anschlußflächen 128a bis 128d verbunden. Die entsprechende Kontaktierung erfolgt, wie oben beschrie ben, auf die Oberseite der unteren Trägerfolie, also die der Hauptoberfläche 104 abgewandten Oberfläche der Trägerfolie, also in der sogenannten Flip-Chip-Technik.

In Fig. 4c ist eine Draufsicht der Vorrichtung dargestellt, wie sie anhand der Fig. 4b beschrieben wurde. In dieser Dar stellung sind alle in Fig. 4c nur teilweise zu sehenden Ele mente gezeigt. Schematisch ist sowohl die obere Folie 120 als auch die auf der unteren Trägerfolie angeordneten Leiterbahnen 142a bis 142d gezeigt - ebenso wie der Bereich, in dem das Halbleitersubstrat 102 angeordnet ist.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung auf der zweiten Hauptoberfläche 106 des Halbleitersubstrats eine Schicht auf, die beispielsweise die in Fig. 3 dargestellte Schicht 136 sein kann, wobei diese Schicht derart ausgebildet ist, daß dieselbe eine Zug- oder Druckspannung ausübt. Da dünne, prozessierte Sili ziumschichten infolge interner mechanischer Spannungen auf der prozessierten Oberfläche dazu neigen, sich aufzurollen, ist die Schicht vorgesehen, um diesen Effekt zu kompen sieren, wodurch sich die Handhabung und Montage erheblich vereinfacht. Durch eine geeignete Wahl der Schichtdicke bzw. der Nachbehandlung, z. B. Temperung, wird der Streß auf der Oberseite durch einen gleich großen Streß auf der Unterseite kompensiert. Als Materialien für die spannungskompensierende Schicht kommen z. B. Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC) in Frage.

Nachdem die Schaltungselemente zusammen mit den piezoresis tiven Widerstandsbahnen auf dem gedünnten Siliziumsubstrat gebildet sind, werden auch die passiven Bauelemente, wie z. B. Widerstände, und auch die aktiven Bauelemente, wie z. B. Dioden und Transistoren, die in den Schaltungselementen ent halten sind, in ihren Eigenschaften in gewisser Art durch eine Dehnung und/oder Stauchung beeinflußt. So ändern sich bei Widerständen beispielsweise deren Widerstandswert wegen des erwähnten piezoresistiven Effekts, bei Transistoren die Stromverstärkung (Bipolartransistoren), bzw. die Steilheit (Feldeffekt-Transistoren). Letzteres ist bedingt durch den Einfluß von Dehnung/Stauchung auf die Ladungsträgerbeweg lichkeit. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Beeinflussung der aktiven und passiven Schaltungsele mente in der Auswertungseinrichtung der Vorrichtung dadurch kompensiert, daß Widerstandspaare oder -ketten, die Span nungsteiler bilden oder kritische Spannungen bzw. Spannungs differenzen definieren, in gleicher Orientierung bezüglich der Dehnungsrichtung angeordnet werden, so daß ihr Wider standswert in gleicher Weise durch die Dehnung bzw. Stauchung beeinflußt wird. Sinngemäß werden ebenso kri tische, aktive Bauelementpaare in gleicher Orientierung an geordnet, wie z. B. die beiden Transistoren eines Differenz verstärkers.

Anhand der Fig. 5 wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführ ungsbeispiel einer Auswertungseinrichtung, wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschrieben. In Fig. 5 ist die Auswertungseinrichtung in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 500 versahen, die an einem ersten Eingang 502 ein Kalibrierungssignal, und an einem zweiten Eingang 504 ein Betriebsspannungssignal empfängt. Die Auswertungseinrichtung 500 umfaßt ferner zwei weitere Eingänge 506 und 508. Am Eingang 506 wird von einer piezo resistiven Widerstandsbrücke 510, die ihrerseits einer Dehnung/Stauchung ∈ ausgesetzt ist, ein Brückensignal empfangen, und am Eingang 508 wird von einem Temperatur sensor 512, der auf eine Temperatur T reagiert, ein Tem peratursignal empfangen. Das am Eingang 506 empfangene Brückenausgangssignal wird einem Brückenverstärker 514 zugeführt, dessen Ausgang über eine Leitung 516 mit einem ersten Eingangsanschluß eines Analogprozessors bzw. einer Signalverarbeitungseinrichtung 518 verbunden ist.

Das am Eingang 508 empfangene Temperatursignal wird von einer Einrichtung 520 zur Kompensation der Temperaturein flüsse auf den Skalenfaktor sowie von einer Einrichtung 522 zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf den Offset empfangen, wobei diese Einrichtungen über Leitungen 524 und 526 mit weiteren Eingängen der Signalverarbeitungseinrich tung 518 verbunden sind.

Der Analogprozessor gibt auf seiner Ausgangsleitung 528 ein analoges Meßsignal aus, das bei einem weiteren Ausführungs beispiel einer Ausgangsstufe 532 zugeführt wird, die als Ausgang der Auswertungseinrichtung 500 auf einer Leitung 530 ein analoges Ausgangssignal liefert.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Spannungsstabilisierungseinrichtung 534 vorgesehen sein, die über den Eingang 504 das Betriebsspannungssignal empfängt, und einen stabilen Betrieb der Auswertungseinrich tung 500 gewährleistet.

Wiederum gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Ablaufsteuerung 536 vorgesehen, die mit dem Eingang 502 ver bunden ist, und das Kalibrierungssignal empfängt. Die Ab laufsteuerung 536 ist mit einer Speichereinrichtung 538 verbunden, in dem eine Anzahl von vorbestimmten Kali brierungswerten gespeichert sind, die abhängig von dem Kalibrierungssignal, welches über die Ablaufsteuerung 536 der Speichereinrichtung 538 angelegt wird, ausgewählt werden. Die ausgewählten Kalibrierungswerte aus der Spei chereinrichtung 538 werden über die Leitungen 540a, 540b und 540c an die Einrichtungen 520 und 522 angelegt, um ent sprechende Kompensationskoeffizienten in diesen Einrichtung en einzustellen, wobei diese Einrichtungen bei diesem Aus führungsbeispiel durch programmierbare Verstärker ausge bildet sind. Über die Leitung 540c wird ein Kalibrierungs signal an eine Einrichtung 542 zum Kalibrieren des Ska lenfaktor-Offset angelegt, die ebenfalls als programmier barer Verstärker ausgebildet ist. Die Ein richtung 542 ist über eine Leitung 540 mit einem weiterer Eingang des Analogprozessors verbunden.

Wiederum gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann zu sätzlich zu der Ausgangsstufe 532 oder anstelle der Aus gangsstufe 532 ein Analog/Digital-Wandler 544 vorgesehen sein, der das analoge Ausgangssignal auf der Ausgangsleitung 528 in ein digitales Ausgangssignal am Ausgang 546 der Aus wertungseinrichtung 500 umwandelt. Zusätzlich können ein erster Schwellwertschalter 548 und ein zweiter Schwellwert schalter 550 vorgesehen sein, um an den Ausgangsanschlüssen 552 und 554 der Auswertungseinrichtung ein digitales Signal auszugeben.

Das in Fig. 5 gezeigte Prinzipschaltbild einer besonders günstigen Ausführungsform der elektronischen Schaltungsele mente ermöglicht die Kalibrierung des Skalenfaktors und des Offsets sowie die Temperaturkompensation beider Größen, wo bei bevorzugterweise digital programmierbare Verstärker (PV) eingesetzt werden, und die erforderlichen Kalibrationsfak toren in einer Speichereinrichtung 538, wie z. B. einem EPROM, auf dem Substrat bzw. Chip gespeichert sind. Auf diese Art und Weise kann nach dem Einbau bzw. der Instal lation des Dehnungsmeßstreifens auf rein elektronischem Weg dessen Kalibrierung vorgenommen werden. Ferner ist in Fig. 5 dargestellt, daß ein Analog/Digital- Wandler auf dem Dehnungsmeßstreifen mit integrierter Elek tronik integriert werden kann, so daß die Übertragung des erzeugten Meßsignals in Form eines besonders störunempfind lichen digitalen Signals ermöglicht wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann das Meßsignal auch quasidigital, in Form eines pulsweitenmodulierten oder Fre quenzsignals übertragen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, der Auswertungseinrichtung einen drahtlosen Hochfrequenz-Sende-Empfänger, einen soge nannten Transponder, zuzuordnen und diesen mit zu integrie ren. Dadurch erfolgt die Energieversorgung des Dehnungsmeß streifens und die Meßdatenübertragung drahtlos über den Transponder. In diesem Fall ist die erforderliche Antenne z. B. in der oberen oder der unteren Trägerfolie integriert.

Claims

1. Vorrichtung zum Erfassen einer Dehnung und/oder einer Stauchung eines Körpers (134), mit
einem verformbaren Halbleitersubstrat (102) auf dem zu mindest ein Element (R₁, R₂, R₃, R₄; 116, 118) angeordnet ist, das zumindest eine physikalische Eigenschaft hat, die sich abhängig von einer Dehnung und/oder Stauchung des Halbleitersubstrats (102) ändert; und
einer Auswertungseinrichtung (108, 112; 500), die zu sammen mit dem zumindest einen Element (R₁, R₂, R₃, R₄; 116, 118) auf dem Halbleitersubstrat (102) angeordnet ist und mit dem Element verbunden ist, um ein von der Dehnung und/oder Stauchung abhängiges Meßsignal zu er zeugen;
wobei die Auswertungseinrichtung (108, 112; 500), die passive und/oder aktive Schaltungselemente aufweist, derart auf dem Halbleitersubstrat (102) angeordnet ist, daß sie einer Dehnung und/oder Stauchung unterworfen ist;
dadurch gekennzeichnet,
daß das verformbare Halbleitersubstrat (102) auf dem Körper (134), dessen Dehnung und/oder Stauchung zu er fassen ist, aufbringbar ist; und
daß kritische Schaltungselemente der Auswertungsein richtung (108, 112; 500) in gleicher Orientierung bezüglich der Dehnungs- und/oder Stauchungsrichtung (114) derart angeordnet sind, damit diese Schaltungs elemente auf gleiche Weise durch die Dehnung und/oder Stauchung beeinflußt werden, so daß Einflüsse der Dehnung und/oder Stauchung auf die Auswertungsein richtung kompensiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das zumindest eine Element (R₁, R₂, R₃, R₄; 116, 118) ein piezoresistiver Widerstand ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Aus wertungseinrichtung (108, 112; 500) eine Verstärkerein richtung umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Temperatursensor (110; 512) umfaßt, der auf dem Halbleitersubstrat (102) angeordnet ist, wobei die Aus wertungseinrichtung mit dem Temperatursensor verbunden ist, um ein temperaturkompensiertes Meßsignal zu erzeu gen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine Mehrzahl von Elementen umfaßt, die in einer Brücken schaltung verschaltet sind, wobei der Verstärker der Auswertungseinrichtung (108, 112; 500) ein Brückenver stärker (514) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zumindest vier piezoresistive Elemente (R₁, R₂, R₃, R₄) in zumindest einer Vollbrücke verschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Aus wertungseinrichtung (500) ferner folgende Merkmale umfaßt:
eine Signalverarbeitungseinrichtung (518) mit einer Mehrzahl von Signaleingängen und einem Signalausgang, an dem das Meßsignal anliegt;
eine Einrichtung (520) zur Kompensation von Temperatur einflüssen auf den Brücken-Offset, die einen Eingang aufweist, der mit einem Ausgang des Temperatursensors (512) verbunden ist, und die einen Ausgang aufweist, der mit einem Eingang der Signalverarbeitungseinrichtung (518) verbunden ist; und
eine Einrichtung (522) zur Kompensation von Temperatur einflüssen auf den Skalenfaktor, die einen Eingang auf weist, der mit dem Ausgang des Temperatursensors (512) verbunden ist, und die einen Ausgang aufweist, der mit einem zweiten Eingang der Signalverarbeitungseinrichtung (518) verbunden ist;
wobei der Brückenverstärker (514) einen Eingang auf weist, der mit einem Ausgang der piezoresistiven Wider standsbrücke (510) verbunden ist, und einen Ausgang auf weist, der mit einem dritten Eingang der Signalverarbei tungseinrichtung (518) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Auswertungsein richtung (500) folgende Merkmale umfaßt:
eine Kalibrierungseinrichtung mit einer Ablaufsteuerung (536), die ein Kalibrierungssignal empfängt, einer Spei chereinrichtung (538), deren Eingang mit einem Ausgang der Ablaufsteuerung (536) verbunden ist, und die vorbe stimmte Werte für die Kompensation von Temperaturein flüssen auf den Brücken-Offset und den Skalenfaktor so wie vorbestimmte Werte für die Kalibrierung des Skalen faktors speichert, wobei abhängig von dem Kalibrierungs signal die vorbestimmten Werte aus der Speichereinrich tung (538) auswählbar sind, und einer Einrichtung (542) zum Kalibrieren des Skalenfaktors;
wobei die Einrichtungen (520, 522) zur Kompensation der Temperatureinflüsse auf den Brücken-Offset und den Ska lenfaktor und die Einrichtung (542) zum Kalibrieren des Skalenfaktors durch programmierbare Verstärker gebildet sind, die durch die in der Speichereinrichtung (538) ge speicherten, vorbestimmten Werte ansteuerbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Auswert ungseinrichtung eine Ausgangsstufe (532) und/oder einen Digital/Analog-Wandler (544) umfaßt, deren Eingänge mit dem Ausgang der Signalverarbeitungseinrichtung (518) verbunden sind, um das Meßsignal als analoges und/oder digitales Ausgangssignal auszugeben.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Auswertungseinrichtung einen Transponder umfaßt, der eine Übertragung des Meßsignals an einen Empfänger und die Energieversorgung bewirkt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Auswertungseinrichtung (500) eine Einrichtung (534) zur Stabilisierung der Betriebsspannung umfaßt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der das Halbleitersubstrat (102) ein gedünntes Siliziumsub strat ist, in dem das zumindest eine Element (R₁, R₂, R₃, R₄; 116, 118), die Auswertungseinrichtung (108, 112; 500) und der Temperatursensor (512) monolithisch integriert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Siliziumsub strat (102) eine Dicke von 5 bis 100 µm aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Siliziumsub strat (102) eine Dicke von 5 bis 10 µm aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die auf einer zweiten Hauptoberfläche (106) des Halbleitersub strats (102), die der ersten Hauptoberfläche (104), auf der das zumindest eine Element und die Auswertungsein richtung angeordnet sind, abgewandt ist, eine eine Zug- oder Druckspannung ausübende Schicht (136) aufweist, um interne mechanische Spannungen des Halbleitersubstrats (102) zu kompensieren.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die eine Zug- oder Druckspannung ausübende Schicht (136) aus SiO₂, Si₃N₄ oder SiC besteht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der eine obere Trägerfolie (120) auf der ersten Hauptober fläche (104) des Halbleitersubstrats (102) zumindest teilweise angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der eine untere Trägerfolie (138) auf der zweiten Hauptober fläche (106) des Halbleitersubstrats (102) angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei der die untere und obere Trägerfolie mit Anschlußflächen (128a-128c) versehen ist, die mit der Auswertungseinrichtung ver bunden sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei der das Siliziumsubstrat (102) nach der Integration des zu mindest einen Elements, der Auswertungseinrichtung und des Temperatursensors durch Schleifen, Ätzen und/oder chemisch-mechanisches Polieren gedünnt wird.