DE19833712A1 - Druckerfassungsvorrichtung mit Metallmembran - Google Patents

Druckerfassungsvorrichtung mit Metallmembran

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Description

Diese Erfindung betrifft eine Druckerfassungsvorrich­ tung, die zum Erfassen eines hohen Drucks eines Fluids ge­ eignet ist, und insbesondere betrifft sie eine Druckerfas­ sungsvorrichtung, die einen Piezowiderstandseffekt eines Einkristallhalbleiters verwendet.
Die JP-B2-7-11461 offenbart eine derartige Druckerfas­ sungsvorrichtung, welche eine Metallmembran, die mit einem Erfassungskörper integral ausgeformt ist, und einen quadra­ tischen Sensorchip (Halbleiterchip), der Dehnungs­ meßwiderstände hält und der mit der Membran durch eine Schicht aus Glas verbunden ist, aufweist. In der Druckerfassungsvorrichtung wird aufgrund einer Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiterchip und der Metallmembran eine Wärmebeanspruchung erzeugt und sie wird auf den Sensorchip übertragen, so daß ein Erfassungsfehler verursacht wird. Um einen solchen Erfassungsfehler zu verringern, sind herkömmlicherweise die folgenden Gegenmaßnahmen vorgeschlagen worden. D.h. die Metallmembran ist aus einem Material hergestellt, welches einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der nahe an dem des Sensorchips liegt, und die Metallmembran und der Sensorchip sind dünn hergestellte um das Ansprechverhalten zu verbes­ sern, d. h. um den durch die Wärmebeanspruchung erzeugten Erfassungsfehler relativ zu verringern. Es ist jedoch schwierig, nur durch die obigen Gegenmaßnahmen den Erfas­ sungsfehler ausreichend zu verringern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Druckerfassungsvorrichtung vorzusehen, welche einen Halb­ leitersensorchip aufweist, welcher mit einer Metallmembran verbunden ist und einen hohen Druck mit einem einfachen Aufbau genau erfassen kann. Eine andere Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung ist es, eine Druckerfassungsvorrichtung vorzusehen, die eine nachteilige Wirkung auf einen Erfas­ sungsfehler durch eine Wärmebeanspruchung minimieren kann, die aufgrund einer Differenz der linearen Wärmeausdeh­ nungskoeffizienten zwischen einer Metallmembran und einem Sensorchip erzeugt wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 9, 20 und 23 gelöst.
Kurz gesagt weist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Einkristallhalbleitersensorchip, der an einer Metallmembran angeordnet ist, eine Ebenenform auf, welche aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als 5 Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und wobei eine zweite polygonale Form ein Verhältnis eines Umkreisdurchmessers in Bezug zu einem Inkreisdurchmesser aufweist, das geringer als 1,2 ist.
Wenn der Sensorchip aus einem Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (100)-Kristallorientierung hergestellt ist, kann in diesem Zustand ein Dehnungsmeßwiderstand in Bezug auf einen Mittelpunkt des Sensorchips auf ersten und zweiten Achsen, welche durch den Mittelpunkt, parallel zu <110<-Richtungen des Einkristallhalbleiters verlaufen, punktsymmetrisch angeordnet sein. Wenn der Sensorchip aus einem Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (110)- Kristallorientierung hergestellt ist, ist an einem zentra­ len Abschnitt des Sensorchips ein Dehnungsmeßwiderstand von der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen angeordnet, während an einem Umfangsabschnitt des Sensorchips ein anderer Dehnungsmeßwiderstand von der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen angeordnet ist. Demgemäß kann eine nachteilige Wirkung einer Wärmebeanspruchung, die durch eine Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursacht wird, mit einem einfachen Aufbau verringert werden, was zu einer Verringerung eines Erfassungsfehlers führt. Zur gleichen Zeit erhöht sich der Grad einer Widerstandsänderung des Dehnungsmeßwiderstandes, was zu einem hohen Ansprechverhalten führt.
Statt des Sensorchips kann ein Verbindungsbauteil, das zwischen dem Sensorchip und der Membran angeordnet ist, eine ebene Form aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als 5 Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und wobei eine zweite polygonale Form ein Verhältnis zwischen einem Umkreisdurchmesser in Bezug zu einem Inkreisdurchmesser aufweist, das geringer als 1,2 ist. Demgemäß können dieselben Wirkungen, wie sie oben beschrieben sind, vorgesehen werden.
Wenn der aus einem Einkristallhalbleiter hergestellte Sensorchip eine rechteckige Form mit ersten und zweiten Seitenabschnitten aufweist, wird anstelle der Festlegung der Form des Verbindungsbauteiles einer der ersten und zweiten Seitenabschnitte so festgelegt, daß er mit einer der Kristallrichtungen, die zueinander senkrecht stehen und zu einer Oberflächenebene des Sensorchips parallel angeordnet ist, einen bestimmten Winkel in einem Bereich von 15° bis 37° einschließt. Insbesondere beträgt der bestimmte Winkel von dem einen der ersten und zweiten Seitenabschnitte des Sensorchips mit der einen der Kristallrichtungen 15° bis 33°. Auf ersten und zweiten Achsen, die durch den Mittelpunkt parallel zu den zueinander senkrecht stehenden Kristallrichtungen hindurch verlaufen, kann eine Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen angeordnet sein. Demgemäß kann die gleiche Wirkung, wie sie oben beschrieben ist, vorgesehen werden.
Wenn der den rechteckigen Sensorchip bildende Ein­ kristallhalbleiter eine ungefähr (100)-Ebenenorientierung aufweist, entsprechen die Kristallrichtungen den <110<- Richtungen des Einkristallhalbleiters. In diesem Fall wird ein bestimmter Winkel Φ zwischen einer der Seitenabschnitte des Sensorchips und einer der <110<- Richtungen durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Φ = A - BeC (T+t)
worin T eine Dicke der Membran, t eine Dicke des Verbindungsbauteiles und A, B bzw. C bestimmte Konstanten darstellen.
Vorzugsweise liegt T in einem Bereich von 100 µm bis 3500 µm, t in einem Bereich von 15 µm bis 150 µm, A in ei­ nem Bereich von 40 bis 45, B in einem Bereich von 15 bis 30 und C in einem Bereich von -4×10-4 bis -2×10-4. Demgemäß kann die Druckerfassungsvorrichtung der vorliegenden Er­ findung leicht aufgebaut werden, um den Erfassungsfehler zu verringern und um ein hohes Ansprechverhalten vorzusehen.
Weitere Einheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht, die teilweise eine Druckerfassungsvorrichtung in einer ersten bevorzugten Aus­ führungsform darstellt;
Fig. 2 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine Schaltungsdarstellung, die einen Verbin­ dungszustand von Dehnungsmeßwiderständen der Drucker­ fassungsvorrichtung zeigt;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beanspru­ chungsverteilung darstellt, welche an einer Oberfläche des Sensorchips gemäß einem angelegten Druck in der ersten Aus­ führungsform erzeugt wird;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Wärmebean­ spruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche des Sensorchips in der ersten Ausführungsform erzeugt wird;
Fig. 6 eine schematische Ansicht, die die Wärmebean­ spruchungsverteilung der Fig. 5 in Verbindung mit dem Sen­ sorchip darstellt;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Wärmebean­ spruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche eines quadratischen Sensorchips erzeugt wird;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht, die teilweise eine Druckerfassungsvorrichtung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 9 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 8 zeigt;
Fig. 10 eine graphische Darstellung, die die Wärme­ beanspruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche des Sensorchips aus Fig. 9 erzeugt wird;
Fig. 11 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in einer dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, die eine Wärme­ beanspruchungsverteilung zeigt, welche an der Oberfläche des Sensorchips entlang einer x-Achse der Fig. 11 erzeugt wird;
Fig. 13 eine graphische Darstellung, die eine Wär­ mebeanspruchungsverteilung zeigt, welche an der Oberfläche des Sensorchips entlang einer y-Achse der Fig. 11 erzeugt wird;
Fig. 14 eine Perspektivansicht, die teilweise eine Druckerfassungsvorrichtung in einer vierten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig 15 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 14 zeigt;
Fig. 16 eine Perspektivansicht, die teilweise eine Druckerfassungsvorrichtung in einer fünften Ausführungsform zeigt;
Fig. 17 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 16 zeigt;
Fig. 18 eine graphische Darstellung, die die Beanspruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche des Sensorchips gemäß einem anlegten Druck in der fünften Ausführungsform erzeugt wird, in welcher ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt, das zwischen dem Sensorchip und ei­ ner Membran angeordnet, ist, achteckig ist;
Fig. 19 eine graphische Darstellung, die eine Wär­ mebeanspruchungsverteilung darstellt, welche an der Ober­ fläche des Sensorchips in der fünften Ausführungsform er­ zeugt wird;
Fig. 20 eine graphische Darstellung, die eine Beanspruchungsverteilung darstellt, welche an der Oberfläche des Sensorchips gemäß einem angelegten Druck in einer modifizierten Ausführungsform der fünften Ausfüh­ rungsform erzeugt wird, in welcher ein Glas mit einem nied­ rigen Schmelzpunkt kreisförmig ist;
Fig. 21 eine graphische Darstellung, die eine Wär­ mebeanspruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche des Sensorchips in der modifizierten Ausführungsform erzeugt wird, in welcher das Glas mit niedrigem Schmelz­ punkt kreisförmig ist;
Fig. 22 eine graphische Darstellung, die eine Bean­ spruchungsverteilung darstellt, welche an der Oberfläche des Sensorchips gemäß einem angelegten Druck in einer ande­ ren modifizierten Ausführungsform der fünften Ausführungs­ form erzeugt wird, in welcher das Glas mit niedrigem Schmelzpunkt sechseckig ist;
Fig. 23 eine graphische Darstellung, die eine Wär­ mebeanspruchungsverteilung darstellt, welche an der Ober­ fläche des Sensorchips in der modifizierten Ausführungsform erzeugt wird, in welcher das Glas mit niedrigem Schmelz­ punkt sechseckig ist;
Fig. 24 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in einer sechsten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 25 eine Perspektivansicht, die eine Drucker­ fassungsvorrichtung in einer siebten bevorzugten Ausfüh­ rungsform zeigt;
Fig. 26 ist eine Draufsicht, die einen Sensorchip der Druckerfassungsvorrichtung Fig. 25 zeigt;
Fig. 27 bis 29 graphische Darstellungen, die Wärme­ beanspruchungsverteilungen zeigen, welche an der Oberfläche des Sensorchips erzeugt werden, wobei sie von dem Drehwin­ kel Θ des Sensorchips von 0°, 22,5°, 45° abhängen;
Fig. 30 eine graphische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen einer Temperatur-Nichtlinearität einer Offset- Spannung (TNO; temperature nonlinearity of offset voltage) und einem Drehwinkel Θ zeigt;
Fig. 31 bis 33 graphische Darstellungen, die Wärmebeanspruchungsverteilungen zeigen, welche an der Ober­ fläche des Sensorchips erzeugt werden, wobei sie von einem Drehwinkel Θ von 33,75°, 37°, 40° abhängen;
Fig. 34 eine Querschnittsansicht, die teilweise eine Druckerfassungsvorrichtung in einer achten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 35 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in der achten Ausführungsform zeigt;
Fig. 36 bis 38 graphische Darstellungen, die Wärmebeanspruchungsverteilungen zeigen, welche an der Ober­ fläche des Sensorchips in der achten Ausführungsform er­ zeugt werden, wobei sie von einem Drehwinkel Θ von 26°, 30°, 34° abhängen;
Fig. 39 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in einer neunten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 40 eine Querschnittsansicht, die teilweise eine Druckerfassungsvorrichtung in einer zehnten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 41 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in der zehnten Ausführungsform zeigt;
Fig. 42 eine graphische Darstellung, die Verhältnisse zwischen einem optimalen Drehwinkel Φ des Sensorchips und einer Dicke (T+t) zeigt, in der T eine Dicke einer Membran und t eine Dicke eines Glases mit niedrigem Schmelzpunkt darstellt; und
Fig. 43 eine graphische Darstellung, die Verhältnisse zwischen einer Temperatur-Nichtlinearität einer Offset­ spannung (TNO) und einem Drehwinkel Θ des Sensorchips darstellt.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
In bezug auf die Fig. 1 bis 7 wird eine erste Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung unterhalb erklärt.
In den Fig. 1 und 2, ist ein metallischer Erfassungskörper 1 in einer zylindrischen, mit Boden versehenen Form ausgeformt, wobei er an einem unterem Endabschnitt einen Druckaufnahmeanschluß 1a und an einem oberen Endabschnitt, d. h., an einem Bodenabschnitt davon, eine Metallmembran 1b zum Aufnehmen eines Druckes aufweist. Die Membran 1b weist eine Dicke auf, die dem zu erfassenden Druck entspricht.
Ein plattenähnlicher Sensorchip 2, der aus einem Einkristallsilizium (einem Einkristallhalbleiter) mit einer ungefähr (100)-Ebenenorientierung hergestellt ist, ist mit der oberen Fläche der Membran 1b verbunden, wobei ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt, ein Klebemittel oder ähnliches (das nicht gezeigt ist) verwendet wird, was als ein Verbindungsbauteil dient. Es ist anzumerken, daß das Einkristallsilizium mit der ungefähr (100)-Ebenen­ orientierung ein Einkristallsilizium aufweist, das eine Oberflächenebene aufweist, die höchstens um einige Grad von der (100)-Ebene geneigt ist. Der Sensorchip 2 ist mit der Membran 1b an seiner gesamten Rückfläche verbunden.
Der Sensorchip 2 weist als eine Ebenenform ein gleichmäßiges Achteck auf und die Dicke und die Abmessung zwischen den gegenüberliegenden Seiten des gleichmäßigen Achtecks betragen zum Beispiel ungefähr 0,2 mm und 3,5 mm. An der Oberfläche des Sensorchips 2 sind durch ein bekanntes Diffusionsverfahren vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c, 3d ausgeformt und sie sind derartig miteinander verbunden, daß sie, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine Wheatstone'sche Brückenschaltung ausformen, um ein Signal auszugeben. Jeder der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d ist in einer rechteckigen Form dargestellt, von der eine Änderung eines Widerstandswertes in einer Längsrichtung als ein Sensorausgangssignal ausgegeben wird. Die Form von jedem der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d ist jedoch nicht auf eine solche rechteckige Form eingeschränkt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das den Sensorchip 2 bildende Einkristallsilizium zwei <110<-Richtungen auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Sensorchips 2 parallel verlaufen. Die Klammern << werden verwendet, um kristallographisch äquivalente Richtungen (Kristallrichtungen) zu kennzeichnen, wie z. B. [110], [011], [101], in welchen die eckigen Klammern [] verwendet werden, um eine bestimmte Richtung anzuzeigen. Die runden Klammern () werden verwendet, um eine bestimmte Ebene zu kennzeichnen.
In der vorliegenden Erfindung werden Achsen, die zu den <110<-Richtungen parallel und durch den Mittelpunkt O des Sensorchips 2 verlaufen, im folgenden jeweils als x-, y- Achsen bezeichnet. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d sind auf den x-, y-Achsen derartig angeordnet, daß Positionen, wo die Widerstände 3a bis 3d angeordnet sind, in Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 2 punktsymmetrisch sind. Insbesondere sind die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d auf der x-Achse derartig angeordnet, daß sie zu der x-Achse parallel und von dem Mittelpunkt O gleichweit entfernt getrennt angeordnet sind. Die Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c sind auf der y-Achse derartig angeordnet, daß sie zu der y-Achse senkrecht und von dem Mittelpunkt O gleichweit entfernt getrennt angeord­ net sind. Jede der x-, y-Achsen (<110<-Richtungen) kreuzt die entsprechenden zwei Seiten des Sensorchips in ungefähr rechten Winkeln.
Für den Erfassungskörper 1 ist es wünschenswert, aus einem Metall hergestellt zu werden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient eine Differenz von der des Einkristallsiliziums als den Sensorchip 2 so gering wie möglich vorsieht. Für den Erfassungskörper 1 kann zum Beispiel Covar (30% Ni - 20% Co - Fe) verwendet werden. Der Durchmesser des Druckaufnahmeanschlusses 1a beträgt ungefähr 2,5 mm und die Dicke der Membran 1b beträgt ungefähr 0,65 mm. Demgemäß kann ein Druck in einem Bereich von ungefähr 10 MPa bis 20 MPa erfaßt werden.
In der oben beschriebenen Anordnung wird der zu erfassende Druck an die Oberfläche der Membran 1b an der Druckaufnahmeanschlußseite angelegt, während an der anderen Oberfläche der Membran 1b an der gegenüberliegenden Seite des Druckaufnahmeanschlusses 1a ein konstanter Referenz­ druck (wie zum Beispiel ein atmosphärischer Druck) angelegt wird. Demgemäß krümmen sich die Membran 1b und der Sen­ sorchip 2 aufgrund einer Differenz zwischen den angelegten Drücken gemeinsam. Die Krümmung des Sensorchips 2 wird von der Spannungsverformung bzw. Dehnungsverformung seines Oberflächeabschnittes begleitet, die Änderungen der Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d verursacht. Demgemäß wird in einem Zustand, wo zwischen den Eingabeanschlüssen Ia und Ib der in Fig. 3 gezeigten Weatstone'schen Brückenschaltung eine konstante Gleichstromspannung V angelegt wird, ein Signal mit einem Ausgabespannungsniveau Vaus, das dem zu erfassenden Druck entspricht, von den Ausgabeanschlüssen Pa und Pb ausgegeben.
Als nächstes werden unterhalb ein Verhältnis zwischen dem oben beschriebenen Ausgabespannungsniveau Vaus und den Positionen der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d und Wärmebeanspruchungscharakteristiken, die aufgrund einer Differenz eines linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwi­ schen dem Erfassungskörper 1 und dem Sensorchip 2 erzeugt werden, beschrieben. Als erstes wird das Verhältnis zwi­ schen dem Ausgabespannungsniveau Vaus und den Positionen der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d in Betracht gezogen.
Fig. 4 zeigt ein Ergebnis einer Beanspruchungsverteilung, die an der Oberfläche des Sensorchips 2 durch Anlegen des Druckes erzeugt wird, wobei sie durch die Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert wurde. Konkret heißt das, es wurden Beanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten, die von dem Mittelpunkt O unterschiedliche Abstände aufweisen und einer nach dem anderen entlang der x-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 2 liegt, analysiert und sie sind in Fig. 4 in einem zerlegten bzw. aufgespalteten Zustand dargestellt, d. h., jede der Beanspruchungen ist in eine Beanspruchung σxx als eine x- Achsrichtungskomponente und eine Beanspruchung σyy als eine y-Achsrichtungskomponente zerlegt.
Der Piezowiderstandseffekt an der (100)-Ebene des Einkristallsiliziums wird durch die beiden Beanspruchungen σxx und σyy beeinflußt und ein Verhältnis der Widerstandswertänderung ΔR/R von jedem der Dehnungs­ meßwiderstände 3a, 3d, die auf der x-Achse angeordnet sind, wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
ΔR/R = (π44/2)(σxx - σyy) (1)
worin R ein Anfangswert des Widerstandes von jedem Meßwiderstand ist, ΔR ein ansteigender Widerstandswert ist, π44 ein Piezowiderstandskoeffizient und σxx bzw. σyy Durchschnittsbeanspruchungen darstellen.
Ein Verhältnis der Widerstandswertänderung ΔR'/R von jedem der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c, die auf der y- Achse angeordnet sind, wird hinsichtlich einer Symmetrieeigenschaft um eine kristallographische Achse herum durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
ΔR'/R = (π44/2)(σxx' - σyy') (2)
worin ΔR' ein ansteigender Widerstandswert von jedem Meßwiderstand ist und σxx' und σyy' eine Durchschnittsbean­ spruchung in die x-Achsrichtung bzw. eine Durchschnittsbeanspruchung in die y-Achsrichtung an den Punkten entlang der y-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 2 darstellen.
Weil die jeweiligen Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d in Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 2 zudem punktsymmetrisch angeordnet sind, existieren die Verhältnisse der folgenden Gleichungen (3):
σxx = σyy', σyy = σxx' (3).
Wenn hier der zu erfassende Druck von der unteren Seite an die Membran angelegt wird, verringern sich die Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d und es erhöhen sich die Widerstandswerte der Dehnungsmeßwider­ stände 3b, 3c. Weil die Gleichungen (3) aufgrund der symme­ trischen Anordnung der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d weiter gültig ist, werden in diesem Zustand die ansteigenden Verhältnisse der Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c, die aus der Gleichung (2) erzielt werden, gleich den sinkenden Verhältnissen des Widerstandswertes der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d, die aus der Gleichung (1) erzielt werden.
Wenn die Wheatstone'sche Brückenschaltung durch die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3b gebildet wird, wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird das Ausgabespannungsniveau Vaus, das von den Ausgabeanschlüssen Pa und Pb ausgegeben wird, durch die folgende Gleichung (4) bestimmt:
Vaus = [(RbRc - RaRd)/{(Ra + Rb)(Rc + Rd)}] V (4)
worin Ra, Rb, Rc, Rd Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3b sind und die folgenden Beziehungen aufweisen:
Ra = Rd = R + ΔR
Rb = Rc = R + ΔR'.
In der Gleichung (4) sind die Verhältnisse zwischen R, ΔR und ΔR' R»ΔR und R»ΔR'. Auf der Grundlage dieser Ver­ hältnisse und der Gleichungen (1)-(3) kann die Gleichung (4) in die folgende Gleichung (5) umgeformt werden:
Vaus = (π44/2)(σyy - σxx) V (5).
Aus der Gleichung (5) ist ersichtlich, daß das den zu erfassenden Druck darstellende Ausgabespannungsniveau Vaus zu der Differenz zwischen den auf die jeweiligen Dehnmeßwiderstände 3a bis 3d wirkenden Beanspruchungen in die x-Achsrichtung und in die y-Achsrichtung proportional ist. D.h., wie aus Fig. 4 und der Gleichung (5) ersichtlich ist, daß das Ausgabespannnungsniveau Vaus erhöht wird, um das Ansprechverhalten zu verbessern, wobei die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen soweit wie möglich von dem Mittelpunkt O entfernt ausgeformt sind.
Als nächstes wird die Wärmebeanspruchung, die aufgrund einer Differenz des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Erfassungskörper 1 und dem Sensorchip 2 er­ zeugt wird, beschrieben. Die Wärmebeanspruchung kann einen Erfassungsfehler verursachen. Es ist daher wünschenswert, daß die Wärmebeanspruchung soweit wie möglich verringert wird.
Fig. 5 zeigt die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 2 in einem Zustand, wo der Druckerfassungsvorrichtung eine bestimmte Temperaturdif­ ferenz (z. B. 95°C) vorgegeben ist und wo an die Membran 1b kein Druck angelegt wurde. Die Wärmebean­ spruchungsverteilung wurde durch die FEM analysiert. In Fig. 5 sind die Wärmebeanspruchungen die an einer Vielzahl von Punkten analysiert worden sind, welche unterschiedliche Abstände von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 2 definieren und jeder entlang der x-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 2 angeordnet ist, mit zerlegten Beanspruchungen σxx in die x- Achsrichtung und mit zerlegten Beanspruchungen σyy in die y-Achsrichtung an jeweiligen Punkten angezeigt. Fig. 6 zeigt schematisch das obige analytische Ergebnis in Verbindung mit dem Sensorchip 2.
Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen angeordnet sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O un­ gefähr 1 mm oder weniger oder vorzugsweise ungefähr 0,8 mm oder weniger betragen, die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen, wo die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d angeordnet sind, fast 0 ist, was zu einer bedeutenden Verringerung des Erfassungsfehlers führt.
Als nächstes ist als Modell anstelle des gleichmäßigen, achteckigen Sensorchips 2 ein quadratischer Sensorchip, der die gleichen Dehnungsmeßwiderstände aufweist und aus dem gleichen Einkristallsilizium hergestellt ist, wie der Sensorchip 2, mit der Membran 1b verbunden und es wurde eine Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des quadratischen Sensorchips auf die gleiche Art und Weise, wie es oben beschrieben ist, analysiert. Das Ergebnis ist in Fig. 7 gezeigt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die Wärmebeanspruchung nicht fast 0 sein kann, es sei denn daß die Dehnungsmeßwiderstände an Positionen angeordnet sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O des Chips ungefähr 0,5 mm oder weniger und vorzugsweise ungefähr 0,25 mm oder weniger betragen. D.h., die Wärmebeanspruchung kann nicht fast 0 sein, es sei denn, daß die Dehnungsmeßwiderstände an Positionen angeordnet sind, die im Vergleich zu dem Fall des achteckigen Sensorchips 2 relativ nahe an dem Mittelpunkt O des Chips angeordnet sind.
In dem den quadratischen Sensorchip verwendenden Modell tritt jedoch, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen in der Nähe des Mittelpunktes angeordnet sind, ein Problem auf, daß, wenn der zu erfassende Druck angelegt wird, die Differenz zwischen den Beanspruchungen in die x- Achsrichtung und in die y-Achsrichtung, die auf jeden der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d wirken, gering wird, so daß die erfaßte Ausgabespannung gering wird. Wenn der quadratische Sensorchip verwendet wird, um das Ansprechverhalten zu verbessern, erhöht sich daher der Erfassungsfehler um einen bestimmten Grad. Um andererseits den Erfassungsfehler zu verringern, verringert sich das Ansprechverhalten.
Wenn im Gegensatz dazu der Sensorchip 2 mit der gleichmäßigen achteckigen Form verwendet wird, wie in der gegenwärtigen Ausführungsform, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen, wo die Differenz zwischen den Wärmebean­ spruchungen in die x-Achs- und die y-Achsrichtungen beinahe 0 ist, insbesondere an den Positionen, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O ungefähr 0,8 mm oder weniger betragen, angeordnet sind, ist die Differenz zwischen den Beanspruchungen σxx und σyy in die x-Achs- und y- Achsrichtungen, die auf jeden der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d wirken, groß. Als Ergebnis kann das Ausgabespannungsniveau Vaus erhöht werden. D.h., gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das Ansprechverhalten verbessert werden, während der Erfassungsfehler durch die Wirkung der Form des Sensorchips 2, die als eine Ebenenform ein gleichmäßiges Achteck aufweist, beträchtlich verringert wird.
In dem Fall, wo der Sensorchip aus dem Einkristallsili­ zium mit der ungefähr (100)-Ebenenorientierung hergestellt ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, sind zudem die die Wheatston'sche Brückenschaltung bildenden Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d in Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 2 punktsymmetrisch angeord­ net. In einer derartigen Anordnung, wie oben beschrieben ist, werden, wenn der Druck an die Membran 1b angelegt wird, die ansteigenden Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c gleich den sinkenden Widerstandswerten der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d. Als Ergebnis wird die Linearität der Ausgabespannung in Bezug auf den zu erfassenden Druck ausreichend.
Wenn die Ebenenform des Sensorchips 2 ein gleichmäßiges Achteck ist, wird auch das Layout des Sensorchips 2 an dem Halbleiter-Wafer vereinfacht und es wird vergeudeter Raum bzw. Leerraum verringert. Daher wird ein Verfahren zum Herausschneiden der Sensorchips aus dem Halbleiterwafer vereinfacht und die Ausbeute der Sensorchips wird verbessert.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Fig. 8 bis 10 zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform wird unterhalb erklärt, wobei speziell auf einen Aspekt eingegangen wird, in dem sie sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet. In den folgenden unterhalb beschriebenen Ausführungsformen werden die gleichen Abschnitte wie in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es wird auf die Fig. 8 und 9 Bezug genommen. In der zweiten Ausführungsform ist mit der obere Fläche der Membran 1b des Erfassungskörpers 1 durch ein Glas mit nied­ rigem Schmelzpunkt, durch ein Klebemittel oder ähnlichem ein kreisförmiger Sensorchip 4 verbunden. Der Sensorchip 4 ist aus einem Einkristallsilizium mit einer ungefähr (100)- Ebenenorientierung hergestellt und weist eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 0,2 mm und einen Durchmesser von zum Beispiel ungefähr 3,5 mm auf. An der Oberfläche des Sensorchips 4 sind vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c, 3d angeordnet.
Das Einkristallsilizium des Sensorchips 4 weist <110<- Richtungen auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Sensorchips 4 parallel angeordnet sind. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d wie in der ersten Ausführungsform in Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 4 an den x-, y-Achsen die sich in die <110<- Richtungen erstrecken, welche zueinander senkrecht stehen, wobei sie durch den Mittelpunkt O verlaufen, punktsymmetrisch angeordnet.
Die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 4 wurde durch die Finite-Elemente-Methode in einem Zustand analysiert, wo der Druckerfassungs­ vorrichtung, die den kreisförmigen Sensorchip 4 aufweist eine bestimmte Temperaturdifferenz (zum Beispiel 95°C) vorgegeben worden ist und an die Membran 1b kein Druck angelegt worden ist. Das Ergebnis ist in Fig. 10 gezeigt. Fig. 10 ähnelt stark der Fig. 5 in der ersten Ausführungsform, wenn sie miteinander verglichen werden. Sogar dann, wenn der kreisförmige Sensorchip 4 verwendet wird, kann, wie in der ersten Ausführungsform, das Ansprechverhalten verbessert werden, während der Erfassungsfehler verringert wird, und die Linearität der Ausgabespannung im Bezug auf den zu erfassenden Druck wird ausreichend.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Fig. 11 bis 13 zeigen eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dritte Aus­ führungsform wird unterhalb erklärt, wobei auf einen Teil besonders eingegangen wird, der sich von der ersten Ausfüh­ rungsform unterscheidet.
Es wird auf Fig. 11 Bezug genommen. In der dritten Aus­ führungsform ist ein Sensorchip 5 mit einer gleichmäßigen sechseckigen Form mit der obere Fläche der Membran 1b des Erfassungskörper 1 unter Verwendung eines Glases mit nied­ rigem Schmelzpunkt, eines Klebemittels oder ähnlichem verbunden. Der Sensorchip 5 ist aus einem Ein­ kristallsilizium hergestellt, dessen Ebenen-Orientierung fast (100) ist und er weist eine Dicke von zum Beispiel ungefähr 0,2 mm und eine Abmessung zwischen gegenüberliegenden Seiten von zum Beispiel ungefähr 3,5 mm auf. In diesem Fall beträgt eine Länge einer Diagonalen ungefähr 4 mm. An der Oberfläche des Sensorchips 5 sind vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c, 3d ausgeformt.
In diesem Fall wird in dem Sensorchip 5 eine der <110<- Richtungen (x-Achse) des Einkristallsiliziums so festge­ legt, daß sie zu einer bestimmten Diagonalen des Sen­ sorchips 5 parallel ist, während die andere der <110<-Rich­ tungen (y-Achse) des Einkristallsiliziums so festgelegt wird, daß sie auf bestimmten gegenüberliegenden Seiten des Sensorschips 5 senkrecht steht. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d sind auf der x-Achse angeordnet und die Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c sind auf der y-Achse ange­ ordnet.
Fig. 12 zeigt eine Wärmebeanspruchungsverteilung an einer Vielzahl von Punkten auf der x-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 11 an der Oberfläche des Sensorchips 5 und Fig. 13 zeigt eine Wärmebeanspruchungsverteilung an einer Vielzahl von Punkten auf der y-Achse in Fig. 11 an der Oberfläche des Sensorchips 5. Die Wärmebeanspruchungsverteilungen wurden durch die Finite-Elemente-Methode in dem Zustand analysiert, wo der Druckerfassungsvorrichtung, die einen gleichmäßigen sechseckigen Sensorchip 5 aufweist, eine bestimmte Temperaturdifferenz (zum Beispiel 95°C) vorgegebene worden ist und kein Druck angelegt worden ist. In den Fig. 12 und 13 sind Wärmebeanspru­ chungsverteilungen in einem zerlegten Zustand gezeigt, d. h., jede der Beanspruchungen ist an jedem Punkt in eine Beanspruchung σxx, σxx' in die x-Achsrichtung und in eine Beanspruchung σyy, σyy' in die y-Achsrichtung aufgeteilt.
Aus den Fig. 12 und 13 ist zu sehen, daß, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen angeordnet sind, die Abstände von dem Mittelpunkt O aufweisen, welche ungefähr 0.9 mm oder weniger und vorzugsweise ungefähr 0,7 mm oder weniger betragen, aufweisen, die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achs­ richtungen ungefähr Null wird und der Erfassungsfehler ver­ ringert wird. Demgemäß sieht auch die dritte Ausführungs­ form im wesentlichen die gleichen Wirkungen vor, wie die erste Ausführungsform.
Als ein Ergebnis der Analysen durch die Finite- Elemente-Methode, die in den obigen Ausführungsformen be­ schrieben ist, wird, wenn die Ebenenform des Sensorchips fast einem Kreis entspricht, die Wärmebeanspruchung verringert, obwohl eine gewisse Differenz vorhanden ist. Wenn angenommen wird, das die Ebenenform des Sensorchips hier ein Polygon ist, ist es denkbar, als ein Kriterium zum Beurteilen des Polygons dahingehend, wie nahe es einem Kreis kommt, einen Umkreisdurchmesser des Polygons mit einem Inkreisdurchmesser des Polygons zu vergleichen. D.h., wenn ein Wert des Umkreisdurchmessers im Bezug auf den Inkreisdurchmesser δ beträgt, ist δ eines Polygons, das einem wirklichen Kreis unendlich nahe kommt, beinahe 1. Ein gleichmäßiges Achteck weist ein δ auf, das ungefähr 1,082 beträgt, und eine quadratische Form weist ein 6 auf, das ungefähr 1,414 beträgt.
Als ein Ergebnis der Studie, wie nahe das Polygon an der Kreisform sein sollte, um die Differenz der Wärmebeanspruchung zu verringern, ist herausgefunden worden, daß ein Polygon mit einem δ kleiner als 1,2 die Differenz der Wärmebeanspruchung auf wünschenswerte Weise verringern kann. In der Praxis kann die Differenz der Wärmebeanspruchung wünschenswert verringert werden, wenn der Sensorchip eine sechseckige Form, wie in der dritten Ausführungsform, oder eine andere Form aufweist, die dem Kreis nahe kommt, wie die sechseckige Form. Demgemäß kann die nachteilige Wirkung der Wärmebeanspruchung, die durch die Differenz des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallmembran und dem Sensorchip verursacht wird, minimiert werden, so daß der Erfassungsfehler verringert wird, wobei nur die Ebenenform des Sensorchips verändert wird, während ein hohes Ansprechverhalten beibehalten wird.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Sensorchip aus einem Einkristallsilizium mit einer (100)- Ebenenorientierung hergestellt. Der Sensorchip kann jedoch aus einem Einkristallsilizium mit einer (110)-Ebenenorien­ tierung hergestellt sein, vorausgesetzt, daß es eine Aufgabe ist, den Erfassungsfehler durch die Wirkung der Form des Sensorchips zu verringern.
Die Fig. 14 und 15 zeigen eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein derartiger Aufbau verwendet wird. D.h., wenn ein Sensorchip 2a auf einem Einkristallsilizium mit einer (110)- Ebenenorientierung hergestellt ist, ist es notwendig, daß die Anordnung der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an dem Sensorchip 2a von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten in die in den Fig. 14 und 15 gezeigten geändert wird. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d bilden auch die in Fig. 3 gezeigte Wheatstone'sche Brückenschaltung, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Wenn die Ebenen-Orientierung des Sensorchips 2a (110) ist, wie oben beschrieben ist und wie in Fig. 15 gezeigt ist, weist das Einkristallsilizium eine <100<-Richtung und eine <110<-Richtung auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Einkristallsilizium parallel angeordnet sind. Eine Achse, die zu der <110<- Richtung parallel angeordnet ist und durch den Mittelpunkt O des Sensorchips a verläuft, wird als eine x-Achse bezeichnet, und eine Achse, die zu der <100<-Richtung parallel und durch den Mittelpunkt O verläuft, wird als eine y-Achse bezeichnet. In diesem Fall ist ein Paar von Dehnungsmeßwiderständen 3b, 3c, die an den gegenüberlie­ genden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind, an dem zentralen Abschnitt des Sensorchips 2a entlang der y-Achse angeordnet, und ein Paar von Dehnungsmeßwiderständen 3a, 3d, die an den anderen gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind, an Umfangsabschnitten des Sensorchips 2a entlang der x-Achse angeordnet.
Weil zu diesem Zeitpunkt nur eine Beanspruchung σxx in die x-Achsrichtung in dem Piezowiderstandseffekt vorhanden ist, wird die oben beschriebene Gleichung (5) in die folgende Gleichung (6) umgeformt:
Vaus =(π44/4)(σxxc - σxxs) V (6)
worin σxxc eine Beanspruchung in die x-Achsrichtung der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c und σxxs eine Beanspruchung in die x-Achsrichtung der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d ist. Diese Werte sind größtenteils aus der oben beschriebenen Charakteristikabbildung (Fig. 4) bekannt.
Gemäß der durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung durchgeführten Analyse unter Verwendung der Finite- Elemente-Methode weist die Beanspruchungsverteilung in der x-Achsrichtung von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 2a beinahe die gleiche Neigung auf, wie die in Fig. 4 gezeigte, wenn an den Sensorchip 2a ein Druck angelegt wird. D.h., die Beanspruchung σxx in die x-Achsrichtung sieht eine relativ große Differenz zwischen dem zentralen Abschnitt des Sensorchips 2a, wo die Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c angeordnet sind, und dem Umfangsabschnitt, wo die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b angeordnet sind, vor. Dementsprechend wird eine Differenz zwischen dem Grad einer Widerstandsänderung der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c und dem der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d groß und das Ausgabespannungsniveau Vaus der Wheatstone'schen Brückenschaltung wird hoch, wie es auch aus der Gleichung (6) ersichtlich ist.
Gemäß der Analyse durch die Finite-Elemente-Methode weist die Wärmebeanspruchungsverteilung in die x- Achsrichtung von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 2a bei­ nahe die gleiche Neigung auf, wie die in Fig. 5 gezeigte. D.h., daß sich die Wärmebeanspruchung σxx in die x- Achsrichtung in einem Abstandsbereich von 0 mm bis ungefähr 8 mm von dem Mittelpunkt des Sensorchips 2 stark und in einem Abstandsbereich von 0,8 mm bis 1 mm geringfügig ändert. Es ist daher zu bevorzugen, daß die Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c an dem zentralen Abschnitt des Sensorchips 2a angeordnet sind und daß die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d an den Abschnitten angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt O etwa 1 mm oder weniger und vorzugsweise etwa 0,8 mm oder weniger entfernt liegen. Demgemäß kann die Differenz zwischen der Wärmebeanspruchung, die an die Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c angelegt wird, und der Wärmebeanspruchung, die an die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d angelegt wird, beinahe 0 sein. Folglich wird das Ausgabespannungsniveau Vaus, das eine geringe Wärmebeanspruchungs-Offsetspannung aufweist, aus der Wheatstone'schen Brückenschaltung erzielt und es kann dadurch das Ansprechverhalten mit einem geringen Erfassungsfehler verbessert werden.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Fig. 16 bis 19 zeigen eine fünfte Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung und es werden unterhalb nur Aspekte beschrieben, die zu der ersten Ausführungsform un­ terschiedlich sind.
Es wird auf die Fig. 16 und 17 Bezug genommen. Mit der oberen Fläche der Metallmembran 1b, die an dem oberen Abschnitt des metallischen Erfassungskörpers 1 aus geformt ist, ist ein rechteckiger, plattenförmiger Sensorchip 6, der aus einem Einkristallsilizium (einem Einkristallhalbleiter) hergestellt ist, dessen Ebenenorientierung ungefähr (100) beträgt, durch ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt als ein Klebemittel verbunden (siehe Fig. 17). Es ist anzumerken, daß die Größe von jedem Abschnitt des Erfassungskörpers 1 die gleiche ist, wie die in der ersten Ausführungsform.
Insbesondere ist der Sensorchip 6 in einer quadrati­ schen Form (mit zum Beispiel ungefähr 3,5 mm2 mit einer Dicke von ungefähr 0,2 mm) ausgeformt. Das den Sensorchip 6 bildende Einkristallsilizium weist <110<-Richtungen auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene parallel angeordnet sind, wie in der ersten Ausführungsform. Jede der <110<-Richtungen ist zu zwei Seiten .des Sensorchips parallel und stehen auf zwei anderen Seiten des Sensorchips 6 senkrecht. Zudem sind, wie in der ersten Ausführungsform, an der Oberfläche des Sensorchips 6 vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c, 3d ausgeformt, die die Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden (siehe Fig. 3), um ein Signal auszugeben. Die jeweiligen vier Dehnungsmeß­ widerstände 3a bis 3d sind in Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 6 auf x-, y-Achsen punktsymmetrisch angeordnet. Die x-Achse ist zu einer der <110<-Richtungen parallel angeordnet und verläuft durch den Mittelpunkt O, und die y-Achse ist zu der anderen der <110<-Richtungen parallel angeordnet und verläuft durch den Mittelpunkt O des Chips.
Wie in Fig. 17 gezeigt ist, ist zudem das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt derart ausgeformt, daß es eine Ebe­ nenform aufweist, die ein gleichmäßiges Achteck mit vier Seiten ist, welche sich jeweils entlang der vier Seiten des Sensorchips 6 erstrecken (während sie diese überlappen). Demgemäß weist das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt zwei Seiten, die zu der x-Achse senkrecht stehen, und zwei Seiten, die zu der y-Achse senkrecht stehen, auf. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt beträgt ungefähr 3,5 mm, wobei er dem des Sensorchips 6 entspricht.
Es ist die Beanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6 durch die Finite-Elemente-Methode analy­ siert worden, wenn an den Sensorchip 6 ein Druck angelegt worden ist. Das Ergebnis ist in Fig. 18 gezeigt, in der Beanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der x-Achse in Fig. 17 als Beanspruchungen σxx in die x- Achsrichtung und als Beanspruchungen σyy in die y- Achsrichtung angezeigt sind. Wenn Fig. 18 mit Fig. 4 verglichen wird, die das gleiche analytische Ergebnis in der ersten Ausführungsform zeigt, ist ersichtlich, daß die Fig. 4 und 18 sehr ähnliche Verläufe bzw. Profile aufweisen. Wie aus Fig. 18 und der oben beschriebenen Gleichung (5) ersichtlich ist, ist es wünschenswert, daß die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 6 so weit wie möglich entfernt liegen. Demgemäß wird das Ausgabespannungsniveau Vaus erhöht, so daß sich das Ansprechverhalten verbessert.
Als nächstes ist in der vorliegenden Ausführungsform die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6 durch die Finite-Elemente-Methode in dem Zustand analysiert worden, wo der Druckerfassungsvorrichtung, in der der quadratische Sensorchip 6 mit der Membran 1b durch das gleichmäßige achteckige Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt verbunden worden ist, eine bestimmte Temperaturdifferenz (z. B. 95°C) vorgegeben worden ist und an den Sensorchip kein Druck angelegt worden ist. Das Ergebnis ist in Fig. 19 gezeigt, in der Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der x-Achse in Fig. 17 als Beanspruchungen σxx in die x-Achsrichtung und als Beanspruchungen σyy in die y- Achsrichtung gezeigt sind. Wenn Fig. 19 mit Fig. 5 verglichen wird, die ein ähnliches analytisches Ergebnis in der ersten Ausführungsform zeigt, weisen sie ähnliche Verläufe bzw. Profile auf.
Aus den Fig. 17 und 19 ist demgemäß zu sehen, daß, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt O ungefähr 1 mm oder weniger und vorzugsweise 0,8 mm oder weniger entfernt liegen, die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen an der jeweiligen Position fast Null wird. Als Ergebnis kann der Erfassungsfehler deutlich sichtbar verringert werden.
D.h., sogar wenn der Sensorchip 6 eine quadratische Form aufweist und wenn das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt, das den Sensorchip 6 an der Membran 1b fest anordnet, eine achteckige Form aufweist, können die gleichen Wirkungen wie in der ersten Ausführungsform vorgesehen werden, in der der Sensorchip 2 eine gleichmäßige achteckige Form aufweist. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d sind an dem Einkri­ stallsilizium angeordnet, das eine (100)-Ebenenorientierung aufweist, wobei sie in Bezug auf den Mittelpunkt O punktsymmetrisch sind, wie in der ersten Ausführungsform, und wenn der Druck an der Membran 1b angelegt wird, werden die ansteigenden Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c gleich den sinkenden Widerstandswerten der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d. Als Ergebnis wird die Linearität einer Ausgangsspannung in Bezug auf den zu erfassenden Druck verbessert.
Umso mehr, weil der Sensorchip eine quadratische Form aufweist, ist das Layout der Sensorchips 6 an einem Halbleiterwafer vereinfacht und die Sensorchips 6 können durch ein Waferschneideverfahren des Wafers leicht in je­ weilige Teile bzw. Stücke geteilt werden und ungenützter Raum bzw. Leerraum wird verringert, was zu einer Erhöhung der Produktivität und der Ausbeute der Sensorchips 6 führt.
Als nächstes ist als eine modifizierte Ausführungsform der fünften Ausführungsform das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt so ausgeformt worden, daß es eine kreisförmige Form mit einem Durchmesser von ungefähr 3,5 mm in einem Ebenenverteilungszustand aufweist und in diesem Zustand wurde die Beanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6, wenn an die Membran 1b ein Druck angelegt wurde, durch die Finite-Elemente-Methode analysiert. Das Ergebnis ist in Fig. 20 gezeigt. Zudem wurde in diesem Zustand die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6 auch durch die Finite-Elemente-Methode unter den gleichen Bedingungen analysiert, wie für Fig. 19, und das Ergebnis ist in Fig. 21 gezeigt.
Wenn die Fig. 20 und 21 mit den Fig. 18 und 19 verglichen werden, die die analytischen Ergebnisse in dem Zustand zeigen, wo die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt gleichmäßig achteckig ist, wobei eine Länge zwischen gegenüberliegenden Seiten ungefähr 3,5 mm aufweist, haben sie sehr ähnliche Verläufe. Sogar wenn die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt kreisförmig ist, können demgemäß die gleichen Wirkungen wie in der fünften Ausführungsform vorgesehen werden.
Als eine andere modifizierte Ausführungsform wurde das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt so ausgeformt, daß es ei­ ne gleichmäßige sechseckige Form aufweist, wobei eine Länge zwischen gegenüberliegenden Seiten ungefähr 3,5 mm beträgt, und daß ein Paar von gegenüberliegenden Seiten entlang einem Paar von gegenüberliegenden Seiten des Sensorchips angeordnet ist. In diesem Zustand ist die Beanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6, wenn ein Druck an die Membran 1b angelegt worden ist, durch die Finite-Elemente-Methode analysiert worden. Das Ergebnis ist in Fig. 22 gezeigt. Fig. 23 zeigt eine Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6, der an dem gleichmäßigen sechseckigen Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt angeordnet ist, die unter den gleichen Bedingungen wie für Fig. 19 auch durch die Finite- Elemente-Methode analysiert worden ist. Es ist ersichtlich, daß, wenn die Fig. 22 und 23 mit den Fig. 18 und 19 verglichen werden, sie sehr ähnliche Verläufe bzw. Profile aufweisen. Sogar wenn die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt gleichmäßig sechseckig ist, können demgemäß die gleichen Wirkungen wie die der fünften Ausführungsform vorgesehen werde.
D.h., wenn die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt zum Verbinden des Sensorchips 6 mit der Membran 1b ein Kreis oder ein Polygon, das einem Kreis sehr nahe kommt, ist, kann die Differenz der Wärmebeanspruchung reduziert werden, obwohl hier eine gewisse Differenz vorhanden ist. Wenn angenommen wird, daß die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt eine polygonale Form ist, ist es denkbar, als ein Kriterium für die Beurteilung, wie nahe das Polygon dem Kreis kommt, einen Umkreisdurchmesser mit einem Inkreisdurchmesser des Po­ lygons zu vergleichen. D.h. wie oben beschrieben worden ist, ist herausgefunden worden, daß, wenn ein Wert des Umkreisdurchmessers in Bezug auf den Inkreisdurchmesser ein δ ist, das Polygon, das ein δ kleiner als 1,2 aufweist, die Differenz der Wärmebeanspruchung verringern kann. Wenn das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt eine sechseckige Form oder eine andere Form aufweist die der des Kreises näher kommt als die sechseckige Form, kann in der Praxis die Differenz der Wärmebeanspruchung verringert werden. Demgemäß kann eine nachteilige Wirkung der Wärmebeanspruchung, die durch die Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallmembran und dem Sensorchip verursacht wird, minimiert werden. Der Erfassungsfehler wird verringert und die Ausbeute des Sensorchips wird verbessert, wobei einfach die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt verändert wird.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Während in der fünften Ausführungsform der Sensorchip 6 aus einem Einkristallsilizium mit einer (100)-Ebenenorien­ tierung hergestellt ist, wie oben beschrieben ist, kann der Sensorchip aus einem Einkristallsilizium mit einer (110)- Ebenenorientierung hergestellt sein.
Fig. 24 zeigte eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen solchen Aufbau verwendet. D.h. ein Sensorchip 6a in der sechsten Ausführungsform ist aus einem Einkristallsilizium mit einer (110)-Ebenenorientierung hergestellt und in diesem Fall sind die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d auf dem Sensorchip 6a auf die folgende Art und Weise angeordnet. Das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt weist eine gleichmäßige achteckige Form auf.
D.h., der Sensorchip weist eine <100<-Richtung und eine <110<-Richtung auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Sensorchips 6a parallel angeordnet sind. Anschließend wird ein Paar von Dehnungsmeßwiderstän­ den 3b, 3c, die an den gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind (siehe Fig 3), an dem mittigen Abschnitt des Sensorchips 6a in die <100<-Richtung, d. h. entlang der y-Achse, angeordnet, und ein Paar von Dehnungsmeßwiderständen 3a, 3d, die an den an­ deren gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind, wird an Umfangsabschnitten entlang der x-Achse angeordnet.
In diesem Fall wird das Ausgabespannungsniveau Vaus durch die obige Gleichung (6) ausgedrückt und die Druckbeanspruchungsverteilung und die Wärmebe­ anspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6a sind etwa die gleichen, wie die in den Fig. 4, 5 gezeigten, wie in der vierten Ausführungsform, und demgemäß können die gleichen Wirkungen wie in der vieren Ausführungsform vorgesehen werden. Die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt kann auch in der sechsten Ausführungsform natürlich ein Kreis oder ein gleichmäßiges Sechseck sein.
SIEBENTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Fig. 25 bis 33 zeigen eine siebte gegenwärtige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und es werden unterhalb nur Aspekte erklärt, die sich von der ersten Aus­ führungsform unterscheiden.
Es wird auf die Fig. 25 und 26 Bezug genommen. Mit der oberen Fläche der Metallmembran 1b, die an dem oberen Abschnitt des Erfassungskörpers 1 aus Metall ausgeformt ist, ist unter Verwendung eines Glases mit niedrigem Schmelzpunkt oder eines (nicht gezeigten) Klebemittels ein rechteckiger, plattenähnlicher Sensorchip 8 verbunden, der aus einem Einkristallsilizium (einem Einkristallhalbleiter) hergestellt ist, dessen Ebenenorientierung ungefähr (100) beträgt. Es ist anzumerken, daß die Abmessungen von jedem Abschnitt des Erfassungskörpers 1 die gleichen sind, wie die in der ersten Ausführungsform. Zudem ist die gesamte Rückfläche des Sensorchips 8 an der Membran 1b angeordnet.
In einer Draufsicht weist der Sensorchip 8 insbesondere eine quadratische Form auf (z. B. 3,5 mm2 mit einer Dicke von ungefähr 0,2 mm). Das den Sensorchip 8 bildende Ein­ kristallsilizium weist <110<-Richtungen auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Sen­ sorchips 8 parallel angeordnet sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sensorchip 8 in der quadratischen Form derartig ausgeformt, daß jede der Kristallrichtungen, d. h. der <110<-Richtungen, um einen vorgegebenen Drehwinkel Θ, wie zum Beispiel 22,5°, in Bezug auf eine Linie, die zu den jeweiligen Seiten des Sensorchips 8 parallel ist, gedreht ist. D.h., wenn eine Achse, die durch den Mittelpunkt O des Sensorchips 8 und parallel zu einer der <110<-Richtungen verläuft, als eine x-Achse bezeichnet wird und eine Achse, die durch den Mittelpunkt O und parall zu der anderen der <110<-Richtungen verläuft, als eine y-Achse bezeichnet wird, ist der bestimmte Drehwinkel Θ ein Winkel, der zwischen der y-Achse und einer Mittellinie A, die zu eine Seite 81 des Sensorchips 8 parallel verläuft, definiert ist, und ein Winkel, der zwischen der x-Achse und einer Mittellinie B, die zu der Seite 82 des Sensorchips 8 parallel verläuft, definiert ist. Die Seite 81 steht auf der Seite 82 senkrecht. Zudem sind wie in der ersten Ausführungsform die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d, die die Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden (siehe Fig. 3), an der Oberfläche des Sensorchips 8 derartig angeordnet, daß Positionen, wo die vier Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d angeordnet sind, in Bezug auf den Mittelpunkt O an den x-, y-Achsen punktsymmetrisch werden.
In dieser Anordnung wird ein zu erfassender Druck an die Membran 1b an der Druckaufnahmeanschlußseite angelegt, während ein konstanter Referenzdruck (z. B. ein atmos­ phärischer Druck) an der Membran 1b an der gegenüberliegen­ den Seite des Druckaufnahmeanschlusses 1a angelegt wird. Demgemäß biegen sich die Membran und der Sensorchip 8 auf­ grund einer Differenz zwischen den angelegten Drücken ge­ meinsam. Die Biegung des Sensorchips 8 wird von einer Dehnungsbiegung bzw. Spannungsbiegung seines Oberflächenbereiches begleitet, die Änderungen der Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d verursacht. Als Ergebnis wird das Signal, das das Aufgabespannungsniveau Vaus aufweist, welches dem zu erfassenden Druck entspricht, aus der in Fig 3 gezeigten Wheatstone'schen Brückenschaltung ausgegeben. Das Ausgabespannungsniveau Vaus wird durch die oben beschrie­ bene Gleichung (5) ausgedrückt.
Wie oben beschrieben ist, wird zudem die Differenz zwischen den Beanspruchungen, die durch den angelegten Druck an der Oberfläche des Sensorchips 8 erzeugt wird, in die x-Achs-, y-Achsrichtungen größer, je größer der Abstand der Position von dem Mittelpunkt O wird, wenn der Druck an die Membran angelegt wird. Um das Ausgabespannungsniveau Vaus zu erhöhen, damit das Ansprechverhalten verbessert wird, ist es daher notwendig, das die Dehnungsmeßwi­ derstände 3a bis 3d an den Positionen angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt O soweit wie möglich entfernt liegen.
Andererseits wird, wie oben beschrieben ist, die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs-, y-Achsrichtungen größer, je größer der Abstand der Position von dem Mittelpunkt O wird, wenn an die Druckerfassungsvorrichtung eine vorgegebene Temperaturdifferenz und kein Druck angelegt wird. Die Differenz der Wärmebeanspruchung verursacht den Erfassungsfehler. Weil jedoch in der vorliegenden Ausführungsform der Sensorchip 8 derartig ausgeformt ist, daß jede der <110<-Richtungen und jede der Seiten 81, 82 zwischen sich den vorgegebenen Drehwinkel Θ von 22,5° einschließen, dehnt sich der Abschnitt, wo die Differenz der Wärmebeanspruchung fast Null ist, zu der Position aus, die von dem Mittelpunkt O weiter entfernt liegt, als in dem Fall, wo <110<-Richtungen zu den jeweiligen Seiten des Sensorchips parallel angeordnet sind.
Die Fig. 27 bis 29 zeigen Wärme­ beanspruchungsverteilungen von Modellen, von welchen angenommen wird, daß sie jeweils die Sensorchips 8 aufweisen, die mit den Membranen 1b an ihren gesamten Rückflächen angeordnet sind, und daß sie Drehwinkel Θ aufweisen, die jeweils 0°, 22,5° und 45° betragen.
Insbesondere sind in dem Zustand, wo eine bestimmte Temperaturdifferenz (zum Beispiel 95°C) an die Druckerfassungsvorrichtung angelegt worden ist und an die Membran 1b kein Druck angelegt worden ist, die Wärmebeanspruchungsverteilungen an den Oberflächen des Sensorchips 8 in den Modellen durch die Finite-Elemente- Methode analysiert worden. In den Fig. 27 bis 29 ist jede der Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der x-Achse in Fig. 26 in einer Beanspruchung σxx in die x-Achsrichtung und eine Beanspruchung σyy in die y- Achsrichtung aufgeteilt.
Wie aus den in den Fig. 27 und 29 gezeigten analyti­ schen Ergebnissen ersichtlich ist, beginnt die Differenz zwischen den Beanspruchungen in die x-Achs-, y-Achsrichtun­ gen, d. h., σyy-σxx, damit, von der Position größer zu werden, von der ein Abstand vom Mittelpunkt O ungefähr 0,4 mm bis 0,5 mm überschreitet, wenn der Drehwinkel Θ 0° oder 45° beträgt. Wenn im Gegensatz dazu der Drehwinkel Θ 22,5° beträgt, wie in Fig. 28 gezeigt ist, ist die Differenz der Beanspruchungen in einem Bereich von dem Mittelpunkt O bis wenigstens 0,9 mm ungefähr Null.
Demgemäß kann in der vorliegenden Ausführungsform die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs­ richtung und in die y-Achsrichtung fast Null sein, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen angeord­ net sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O ungefähr 1,0 mm oder weniger, vorzugsweise ungefähr 0,9 mm oder weniger betragen. Als, Ergebnis kann der Erfassungsfehler verringert werden. Zudem kann das Ausgabespannungsniveau Vaus deutlich erhöht werden, um das Ansprechverhalten zu verbessern. Es hat auch den Vorteil, daß solche Wirkungen erzielt werden können, wobei nur die Richtung der Kristallrichtungen an den Sensorchip 8 geändert werden, d. h. wobei nur die Anordnung der Dehnungsmeßwiderstände an den Sensorchip 8 geändert wird. Weil die Form des Sen­ sorchips 8 quadratisch ist, wird nicht nur das Layout des Sensorchips 8 an dem Halbleiter-Wafer vereinfacht, sondern es können auch durch ein Waferschneidverfahren die Sensorchips 8 leicht erzielt werden. Als Ergebnis wird die Produktivität und die Ausbeute der Sensorchips 8 stark verbessert.
Während der Drehwinkel Θ der <110<-Richtung an dem Sensorchip 8 in Bezug auf die Seite des Sensorchips 8 in der siebenten Ausführungsform auf 22,5° festgelegt ist, ist der Drehwinkel Θ nicht darauf eingeschränkt und er kann um ein bestimmtes Grad in einen anderen Winkel geändert werden, solange es den Winkel gestattet, daß der Bereich gesichert wird, in dem die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen an den Positionen, wo die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d angeordnet sind, fast Null ist.
Als nächstes wird unterhalb eine Toleranz des Drehwinkels Θ beschrieben. Wenn die Differenz zwischen Wärmebeanspruchungen in die x-Achsrichtung und die y- Achsrichtung an dem Sensorchip vorhanden ist, ändert sich der Nullpunkt der erfaßten Ausgabespannung gemäß der Temperatur, wobei somit ein Problem in der Nichtlinearität aufgeworfen wird. Wenn eine derartige Nichtlinearität durch eine externe Schaltung kompensiert wird, treten anschließend andere Probleme auf, nämlich daß der Schaltungsaufbau kompliziert wird und daß er eine umständliche Steuerung erfordert. Eine solche Temperatur- Nichtlinearität der Offset-Spannung (TNO) ist auch in der vorliegenden Ausführungsform ein Problem. Die TNO wird durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt:
TNO = - {(Voffset(HT) - Voffset(RT))/(FS(HT - RT)) - (Voffset(LT)- Voffset(RT))/(FS(LT - RT))} (LT - RT)100 [%FS]
worin Voffset(T) eine Nullpunktausgabespannung bei ei­ ner Temperatur T ist, RT eine Raumtemperatur ist, HT die höchste Temperatur einer Schwankungsbreite der Temperatur ist, LT die niedrigste Temperatur innerhalb der Schwan­ kungsbreite der Temperatur ist und FS ein maximaler Ausgabespannungsbereich (Meßbereich) (full-scale output voltage width) ist.
Fig. 30 zeigt ein Ergebnis, das durch Simulation der Abhängigkeit der TNO von dem Drehwinkel Θ erzielt wird, wobei ein Modell mit der Basisanordnung der siebenten Aus­ führungsform verwendet wird. Es ist anzumerken, daß in dieser Simulation der Abstand der Dehnungsmeßwiderstände von dem Mittelpunkt O des Chips so angenommen wird, daß er 0,8 mm,beträgt, und ein Ausbildungsbereich von jedem der Dehnungsmeßwiderstände wird so angenommen, daß er 0,2 mm2 beträgt.
Der Zustand des Drehwinkels Θ = 0° in Fig. 30 ent­ spricht der herkömmlichen Dehnungsmeßanordnung an dem qua­ dratischen Sensorchip und ein Absolutwert von TNO in diesem Zustand beträgt mehr als 4% FS. Für die Kompensation der Nichtlinearität ist es effektiv, den Absolutwert von TNO auf die Hälfte zu verringern, und es ist ausreichend, den Drehwinkel Θ in einem Bereich von 15° bis 33° festzulegen. Wenn der Drehwinkel Θ Null ist, beträgt in Fig. 30 TNO ungefähr 25°. Es wird in Erwägung gezogen, daß dies durch die Tatsache verursacht wird, daß der Ausbildungsbereich von jedem der Dehnungsmeßwiderstände quadratisch angenommen wird.
Andererseits ist es sogar dann, wenn der Drehwinkel Θ auf einem größeren Winkel als 33° festgelegt wird, für die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs­ richtung, die den Erfassungsfehler verursachen kann, mög­ lich, daß sie Null beträgt. Die Fig. 31 bis 33 zeigen analytische Ergebnisse der Wärmebeanspruchungsverteilungen an den Oberflächen des quadratischen Sensorchips 8 von Modellen, in welchen die Drehwinkel Θ jeweils 33,75°, 37° und 40° betragen. In jedem der Modelle ist der Sensorchip 8 mit seiner gesamten Rückfläche an der Membran 1b angeordnet bzw. angeklebt, wie oben beschrieben ist. Die in den Fig. 31 bis 33 gezeigten Wärmebeanspruchungsverteilungen sind jeweils durch die Finite-Elemente-Methode in dem Zustand analysiert worden, wo eine bestimmte Temperaturdif­ ferenz (z. B. 95°C) an die Druckerfassungsvorrichtung vorgegeben worden ist und der angelegte Druck Null betrug. In den Fig. 31 bis 33 werden die Wärme­ beanspruchungsverteilungen in einem aus gespaltenen Zustand angezeigt, bei dem jede der Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der x-Achse in Fig. 26 in eine Beanspruchung σxx in die x-Achsrichtung und in eine Beanspruchung σyy in die y-Achsrichtung an jeweiligen Punkten aufgeteilt ist.
Die folgenden Gesichtspunkte sind aus den oben be­ schriebenen analytischen Ergebnissen ersichtlich. D.h., in dem in Fig. 31 gezeigten Modell, in dem der Drehwinkel Θ 33,75° beträgt, ist die Differenz zwischen den Wärmebe­ anspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen, (d. h., σyy -σxx) in einem Bereich von 0 mm bis ungefähr 0,3 mm fast Null, sie erhöht sich von ungefähr 0,3 mm und sie fällt anschließend bei ungefähr 1,6 mm wieder gegen Null. Wenn die Mitten der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen angeordnet sind, deren Abstände von dem Mittelpunkt O ungefähr 1,6 mm betragen, wird demgemäß die Ausgabespannung hoch und gleichzeitig kann die Differenz der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) minimiert werden, so daß sich der Erfassungsfehler verringert. Zudem existiert in dem in Fig. 32 gezeigten Modell, in dem der Drehwinkel Θ 37° beträgt, die Position, wo die Differenz der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) Null ist (eine Position, wo der Abstand von dem Mittelpunkt O ein wenig mehr als 1,9 mm ist), so daß die Differenz der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) minimiert werden kann, um den Erfassungsfehler zu verringern. In dem in Fig. 33 gezeigten Modell, in dem der Drehwinkel Θ 40° beträgt, beträgt der Bereich, wo die Differenz der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) fast Null ist, auf den sehr nahen Bereich bis ungefähr 0,2 mm von dem Mittelpunkt O eingeschränkt. Daher kann die oben beschriebene Wirkung einer Fehlerreduzierung nicht erwartet werden. In Hinsicht des oben genannten liegt die Toleranz des Drehwinkels Θ in einem Bereich von 15° bis 37° und der Drehwinkel Θ kann innerhalb dieses Bereichs geändert werden.
ACHTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Fig. 34 bis 38 zeigen eine achte bevorzugte Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung, die durch Modifi­ zieren der siebenten Ausführungsform erzielt wird. Die vor­ liegende Ausführungsform wird unterhalb durch Aspekte er­ klärt, die sich von der siebenten Ausführungsform unter­ scheiden.
Es wird auf die Fig. 34 und 35 Bezug genommen. Die gesamte Rückfläche des Sensorchips 8, der auf die gleiche Art und Weise hergestellt ist, wie der in der siebenten Ausführungsform, ist mit der oberen Fläche einer Metallmem­ bran 9b, die an dem oberen Abschnitt eines metallischen Er­ fassungskörpers 9 ausgeformt ist, unter Verwendung eines Glases mit niedrigem Schmelzpunkt oder eines (nicht gezeig­ ten Klebemittels) verbunden. In der vorliegenden Ausfüh­ rungsform ist eine Druckerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Druckes von 200 MPa geeignet und der Erfassungskörper 9 weist daher einen Aufbau auf, der diesem entspricht. Das heißt, der Erfassungskörper 9 ist z. B. aus einem Covar (30% Ni - 20% Co - Fe) ausgeformt und ein Durchmesser eines Druckaufnahmeanschlusses 9a und die Dicke der Membran 9b werden auf ungefähr 2,5 mm bzw. 2 mm festgelegt.
Wenn die Dicke der Membran 9b stark erhöht wird, wie oben beschrieben ist, ändert sich auch die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 8 mehr oder weniger. Um sich an eine derartige Änderung der Wärmebeanspruchungsverteilung anzupassen, wird anschließend der Drehwinkel Θ der Kristallrichtungen (<110<- -Richtungen) des Einkristallsiliziums des Sensorchips 8 in Bezug auf die Seite des Sensorchips 8 auf ungefähr 300 festgelegt. Der Drehwinkel Θ wird aus dem folgendem Grund fest eingestellt.
Das heißt, es ist angenommen worden, daß drei Modelle der Druckerfassungsvorrichtung, welche den quadratischen Sensorchip 8 aufweisen, der mit der Membran 9b mit einer Dicke von ungefähr 2 mm verbunden worden ist, jeweils die Drehwinkel Θ von 26°, 30° und 34° aufgewiesen haben. Anschließend ist die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 8 in jedem Modell durch die Finite-Elemente-Methode in dem Zustand analysiert worden, wo der Druckerfassungsvorrichtung eine bestimmte Temperaturdifferenz (z. B. 95°C) vorgegeben worden ist und an die Membran kein Druck angelegt worden ist. Die Ergebnisse der Modelle sind in den Fig. 36-38 gezeigt, in denen die Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der x-Achse in Fig. 35 in Beanspruchungen σxx in die x-Achsrichtung und in Beanspruchungen σyy in die y-Achsrichtung an den jeweiligen Punkten aufgeteilt sind.
Aus den analytischen Ergebnissen ist ersichtlich, daß das in Fig. 37 gezeigte Modell mit dem Drehwinkel Θ von 30° den breitesten Bereich vorsieht, wo die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtun­ gen in den drei Modellen fast Null beträgt, und der weiteste Bereich erstreckt sich bis zu einem Abstand von ungefähr 1 mm von dem Mittelpunkt O. Wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen angeordnet sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O des Chips ungefähr 1 mm oder weniger betragen, kann demgemäß sogar in dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen fast Null betragen, so daß sich der Erfassungsfehler verringert, und gleichzeitig kann das Ausgabespannungsniveau Vaus ausreichend erhöht werden, so daß das Ansprechverhalten verbessert wird.
Der Drehwinkel Θ ist nicht auf 30° begrenzt, der in der vorliegenden Ausführungsform zitiert ist, und er kann um ein bestimmtes Grad in einen anderen Winkel geändert werden, so lange es der Winkel gestattet, den Bereich si­ cherzustellen, wo die Differenz zwischen den Wärmebeanspru­ chungen,in die x-Achs- und y-Achsrichtungen an den vorgege­ benen Positionen der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d fast Null beträgt, ähnlich wie in der siebenten Ausführungsform.
NEUNTE AUSFÜHRUNGSFORM
Während der quadratische Sensorchip 8 aus einem Einkri­ stallsilizium mit einer (100)-Ebenenorientierung in den oben beschriebenen siebten und achten Ausführungsformen hergestellt ist, kann der Sensorchip aus einem Einkristall­ silizium mit einer (110)-Ebenenorientierung hergestellt sein.
Fig. 39 zeigt eine neunte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine derartige Struktur verwendet wird. D.h., die neunte Ausführungsform ist eine modifizierte Ausführungsform des siebenten Ausführungsform. Es ist dann notwendig, die Anordnung der Dehnungsmeßwider­ stände 3a bis 3d an einem Sensorchip 8a von der in Fig. 26 gezeigten in die in Fig. 39 gezeigte zu ändern, weil der Sensorchip 8a aus einem Einkristallsilizium mit einer (110)-Ebenenorientierung hergestellt ist, wie oben be­ schrieben worden ist. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d bilden die in Fig. 3 gezeigte Wheatstone'sche Brückenschal­ tung.
Insbesondere weist der Sensorchip 8a eine <100<-Rich­ tung und eine <110<-Richtung des Einkristallsiliziums auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Sensorchips 8a parallel angeordnet sind. In diesem Fall ist das Paar von Dehnungsmeßwiderständen 3b, 3c, die an den gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brücken­ schaltung angeordnet sind, an dem mittigen Abschnitt des Sensorchips 8a entlang der <100<-Richtung, d. h. auf der durch den Mittelpunkt O des Sensorchips 8a verlaufenden y- Achse, angeordnet, und das Paar der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d, die an den anderen gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind, ist an Umfangsabschnitten des Sensorchips 8a entlang der <110<- Richtungen d. h. auf der durch den Mittelpunkt O verlaufenden x-Achse, angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Differenz zwischen der Wärmebeanspruchung, die auf die Dehnungsmeßwi­ derstände 3b, 3c wirkt, und der Wärmebeanspruchung, die auf die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d wirkt, aus den gleichen Gründen, wie sie in der sechsten Ausführungsform erklärt sind, fast Null betragen. Demgemäß wird das Ausgabespannungsniveau Vaus, das eine geringe Wärmebeanspruchungs-Offset-Spannung aufweist, aus der Wheatstone'schen Brückenschaltung erzielt, so daß das Ansprechverhalten verbessert wird, während der Erfassungsfehler verringert wird.
ZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
Wenn der quadratische Sensorchip 8 an der Membran 9b angeordnet ist, die eine Dicke von ungefähr 2 mm aufweist wird in der achten Ausführungsform der bevorzugte Drehwin­ kel Θ des Sensorchips auf 30° festgelegt.
Im Gegensatz dazu ist in einer zehnten Ausführungsform, wie in den Fig. 40, 41 gezeigt ist, in einem Zustand, wo der quadratische Sensorchip 8 aus einem Einkristallsilizium mit einer (100)-Ebenenorientierung mit einer Metallmembran 10b eines Erfassungskörpers 10 durch ein Glas 7a mit einem niedrigen Schmelzpunkt verbunden ist, die Abhängigkeit des optimalen Drehwinkels Φ in Bezug auf die Dicke T der Mem­ bran 10 und die Dicke t des Glases 7a mit niedrigem Schmelzpunkt berücksichtigt. Hier ist der optimale Drehwin­ kel Φ ein Drehwinkel Θ, wenn eine Differenz zwischen Wär­ mebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen Null ist. In der zehnten Ausführungsform beträgt ein Durchmesser eines Druckaufnahmeanschlusses 10a 2,5 mm und die Größe und die Dicke des Sensorchips 8 betragen 3,5 mm2 bzw. 200 µm, wie in der achten Ausführungsform. Es sind ebenfalls vier Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an dem Sensorchip 8 punktsymmetrisch hinsichtlich des Mittelpunktes O auf den x-, y-Achsen angeordnet, die zu den jeweiligen <110<- Richtungen parallel verlaufen, und sie weisen Längsachsen auf, die jeweils zu der x-Achse parallel verlaufen. Ein Abstand der Dehnungsmeßwiderstände von dem Mittelpunkt O wird auf eine bestimmte Länge eingestellt. Das Glas 7a mit niedrigem Schmelzpunkt ist kreisförmig ausgeformt, wobei es einen Bereich aufweist, der größer als der des Sensorchips 8 ist, wie in Fig. 40 gezeigt ist. In Fig. 41 ist das Glas 7a mit niedrigem Schmelzpunkt weggelassen.
In der oben beschriebenen Anordnung haben die vorlie­ genden Erfinder als ein Ergebnis der Studien und Analysen die folgende Gleichung (8) herausgefunden, die einen opti­ malen Drehwinkel Φ, eine Dicke T der Membran 10b und eine Dicke T des Glases 7a mit niedrigem Schmelzpunkt betrifft;
Φ = A - BeC (T+t) (°) (8)
worin A, B, C Konstanten sind, die Bereiche von 40<A<45, 15<B<30, bzw. -4×10-4<C<-2×10-4 aufweisen, welche auf der Grundlage des Materials der Metallmembran und der zulässigen Genauigkeit bestimmt werden. Die Dicken T, t, weisen Bereiche von 100 µm<T<3500 µm, 15 µm<t<150 µm auf, die auf der Grundlage der Materialfestigkeit und des Sensoransprechverhaltens bestimmt werden. Die Kurve der Gleichung (8) ist in Fig. 42 für Fälle gezeigt, bei denen die Membran aus einem Covar-System-Stab und einem Ni-Fe- System-Stab hergestellt ist. Insbesondere ist die Gleichung (8) aus der Näherungskurve der Fig. 42 bestimmt worden, die aus analytischen Ergebnissen der Offset-Temperatur- Charakteristiken in Bezug auf den Drehwinkel Θ und in Bezug auf die Summe der Dicken (T+t) in den obigen zwei Fällen durch Simulationen erzielt worden ist. Fig. 43 zeigt als ein Beispiel die Offset-Temperatur-Charakteristik in Bezug auf den Drehwinkel Θ. In der Simulation für Fig. 43 ist die Dicke der aus dem Covar-System-Schaft hergestellten Membran auf 0,65 mm und die Dicke der aus dem Ni-Fe-System Schaft hergestellten Membran auf 2,0 mm eingestellt worden. Wenn die Gleichung (8) bestimmt worden ist, wurden zentrale Werte der Konstanten A, B jeweils auf 45°, 25° eingestellt, wobei die Fälle angenommen wurden, daß T+t→0 und T+tw→∞ gegolten hat. Die Konstante C ist festgelegt worden, um je­ den Punkt sicher anzunähern. Die Bereiche der Konstanten A, B sind auf der Grundlage der Temperatur-Nichtlinearität der Offset-Spannung (TNO) bestimmt worden. Insbesondere ist die TNO hinsichtlich der Ausgestaltung innerhalb ± 2,0% F.S. festgelegt worden. Demgemäß wird eine zulässige Änderung des Drehwinkels an jedem Punkt ± 8,4° und die Bereiche der Konstanten A, B sind abgeleitet worden.
Die vorliegenden Erfinder fanden somit das Verhältnis zwischen dem optimalen Drehwinkel Φ und den Dicken T, t der Membran und dem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt heraus.
Demgemäß kann die Druckerfassungsvorrichtung leicht herge­ stellt werden, um die Aufbauanforderungen zu erfüllen und um die Wärmebeanspruchung bei niedrigen Kosten zu verrin­ gern.
ANDERE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben be­ schriebenen Ausführungsformen eingeschränkt und kann inner­ halb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist geändert oder ausgedehnt werden.
Obwohl die vier Dehnungsmeßwiderstände an dem Sen­ sorchip ausgeformt sind, um die Wheatstone'sche Brückenschaltung aufzubauen, kann z. B. eine Halbbrückenschaltung durch zwei Dehnungsmeßwiderstände ausgeformt sein. Zudem ist das Material des Sensorchips nicht nur auf das Einkristallsilizium eingeschränkt und es können andere Einkristallhalbleitermaterialien verwendet werden, solange sie ungefähr den Piezowiderstandseffekt aufweisen.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen erklärt werden, wobei sie den Fall exemplarisch darstellen, wo die Länge zwischen gegenüberliegenden Seiten oder der Durchmes­ ser des Sensorchips größer ist als der Durchmesser der Mem­ bran, kann zudem das Abmessungsverhältnis im Gegensatz zu diesen sein. Das Material des Erfassungskörpers ist nicht auf Covar eingeschränkt. Obwohl die Dehnungsmeßwiderstände aus Diffusionswiderständen hergestellt sind, können sie aus Mehrkristallsiliziumwiderständen hergestellt sein.
Es wird eine Druckerfassungsvorrichtung vorgesehen, die einen Einkristallhalbleiterchip aufweist, der an einer Metallmembran durch ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt angeordnet ist. Der Sensorchip weist eine Ebenenform auf, die aus einer kreisförmigen Form ausgewählt wird, worin eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel von weniger als 180° aufweist, und worin eine zweite polygonale Form ein Verhältnis eines Umkreisdurchmessers in Bezug zu einem Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 aufweist. An x-, y-Achsen, die durch einen Mittelpunkt des Sensorchips parallel zu den <110<- Richtungen verlaufen, sind vier Dehnungsmeßwiderstände angeordnet. Demgemäß wird die Wärmebeanspruchung verringert, so daß kein Erfassungsfehler nachteilig Einfluß nimmt, und gleichzeitig wird eine hohes Ansprechverhalten vorgesehen.

Claims (23)

1. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b) zum Aufnehmen von einem Druck, mit einem Einkristallhalbleitersensorchip (2, 4, 5, 2a), der an der Membran (1b) angeordnet ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d), der an dem Sensorchip (2, 4, 5, 2a) angeordnet ist, worin
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) eine Ebenenfläche auf­ weist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, wobei sie aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und eine zweite polygonale Form ein Verhältnis von einem Um­ kreisdurchmesser in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 aufweist.
2. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) aus einem Einkristallhalb­ leiter mit einer <110<-Richtung hergestellt ist, die zu einer Oberflächenebene des Sensorchips (2, 4, 5, 2a) parallel verläuft; und
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) eine von den ersten und zweiten polygonalen Formen aufweist, die eine Seite aufweisen, welche zu der <110<-Richtung parallel verläuft.
3. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, worin der Sensorchip (2) eine achteckige Form aufweist.
4. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b) zum Aufnehmen eines Druckes, mit einem Einkristallhalbleitersensorchip (6, 6a), der durch ein Verbindungsbauteil (7) mit der Membran (1b) verbunden ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d), der an dem Sensorchip (6, 6a) angeordnet ist, worin
der Sensorchip (6, 6a) eine rechteckige Ebenenform auf­ weist; und
das Verbindungsbauteil (7) eine Ebenenform aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und eine zweite polygonale Form ein Verhältnis eines Umkreisdurchmessers in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 auf­ weist.
5. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin
der Sensorchip (6, 6a) aus einem Einkristallhalbleiter mit einer <110<-Richtung hergestellt ist, die zu einer Oberflächenebene des Sensorchips parallel verläuft, und er eine Seite aufweist, die auf der <110<-Richtung senkrecht steht; und
das Verbindungsbauteil (7) eine der ersten und zweiten polygonalen Formen aufweist mit einer zu der <110<- Richtung senkrecht stehenden Seite.
6. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4, 5, worin das Verbindungsbauteil (7) eine achteckige Form aufweist.
7. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, worin das Verbindungsbauteil (7) aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt ist.
8. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d) an dem Sensorchip (2, 4, 5, 6) an einer Position angeordnet ist, deren Abstand von einem Mittelpunkt (O) des Sen­ sorchips (2, 4, 5, 6) geringer als 1 mm beträgt.
9. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b, 9b, 10b) zum Aufnehmen eines Druckes, mit einem Sensorchip (8, 8a), der an der Membran (1b, 9b, 10b) angeordnet ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d), der an dem Sensorchip (8, 8a) angeordnet ist, worin
der Sensorchip (8, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter mit zwei Kristallrichtungen hergestellt ist, die zuein­ ander senkrecht stehen und zu einer Oberfläche des Sen­ sorchips (8, 8a) parallel verlaufen, und er eine rechteckige Ebenenform mit ersten und zweiten Seiten (81, 82) aufweist, die zueinander senkrecht stehen, wo­ bei eine der ersten und zweiten Seiten (81, 82) mit ei­ ner der Kristallrichtungen einen bestimmten Winkel (Θ) in einem Bereich von 15° bis 37° bildet.
10. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, worin der bestimmte Winkel (Θ) zwischen der einen der ersten und zweiten Seiten (81, 82) und der einen der Kristallrich­ tungen in einem Bereich von 15° bis 33° liegt.
11. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4, 9, worin der Sensorchip (2, 4, 5, 6, 8) aus einem Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (100)-Ebenen­ orientierung und mit zwei zueinander senkrechten Kristallrichtungen hergestellt ist.
12. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 11, worin die zwei Kristallrichtungen <110<-Richtungen sind; und der Dehnungsmeßwiderstand eine Vielzahl von Dehnungs­ meßwiderständen (3a-3d) aufweist, die elektrisch ver­ bunden sind, so daß sie eine Brückenschaltung bilden, wobei die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) jeweils auf ersten und zweiten Achsen (x-, y- Achsen), die einander an einem Mittelpunkt (O) des Sensorchips (2, 4, 5, 6, 8) unter rechten Winkeln schneiden, an Positionen angeordnet ist, deren Abstände vom Mittelpunkt (O) gleich sind, wobei die ersten und zweiten Achsen (x-, y- Achsen) zu den jeweiligen <110<- Richtungen des Einkristallhalbleiters parallel verlaufen.
13. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 12, worin
die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) elek­ trisch verbunden ist, um eine Wheatstone'sche Brücken­ schaltung zu bilden; und
die Vielzahl von die Wheatstone'sche Brückenschaltung bildenden Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) in Bezug auf den Mittelpunkt (O) auf den ersten und zweiten Achsen (x- , y- Achse) punktsymmetrisch angeordnet ist.
14. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 13, worin die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) Längsach­ sen aufweist, die alle zu einer der <110<-Richtungen parallel verlaufen.
15. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 9, worin der Sensorchip (2a, 6a, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (110)-Ebenen­ orientierung hergestellt ist.
16. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 15, worin
der Dehnungsmeßwiderstand eine Vielzahl von Dehnungs­ meßwiderständen (3a-3d) aufweist, die elektrisch ver­ bunden sind, so daß sie eine Brückenschaltung bilden, und die an dem Sensorchip (2a, 6a, 8a) parallel zu einer <110<-Richtung des Einkristallhalbleiters angeordnet sind;
einer aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3b, 3c) an einem mittigen Abschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist; und
ein anderer der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a, 3d) an einem Umfangsabschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist.
17. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 16, worin
die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) elek­ trisch verbunden ist, um eine Wheatstone'sche Brücken­ schaltung zu bilden; und
ein Paar aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3b, 3c), das an gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet ist, an dem mittigen Abschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) an­ geordnet ist; und
ein anderes Paar aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwider­ ständen (3a, 3d), das an anderen gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet ist, an dem Umfangsabschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist.
18. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 9, worin der an die Membran (1b, 9b, 10b) ange­ legte Druck mehr als 10 MPa beträgt.
19. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 9, worin die Membran (1b, 9b, 10b) eine kreisför­ mige Form aufweist.
20. Druckerfassungsvorrichtung mit:
einer Metallmembran (10b) zum Aufnehmen eines Drucks;
einem rechtwinkligen Sensorchip (8), der mit der Mem­ bran (10b) verbunden ist und aus einem Einkristallhalb­ leiter mit einer ungefähr (100)-Ebenenorientierung her­ gestellt ist, wobei der Sensorchip eine Seite aufweist, die mit einer <110<-Richtung des Einkristallhalbleiters einen bestimmten Winkel (Φ) bildet;
einem Verbindungsbauteil (7a), das zwischen der Membran (10b) und dem Sensorchip (8) angeordnet ist; und
einer Vielzahl von Piezowiderständen (3a-3d), die an dem Sensorchip (8) an Positionen angeordnet sind, die in Bezug auf einen Mittelpunkt (O) des Sensorchips (8) punktsymmetrisch sind, wobei jeder eine zu der <110<- Richtung parallele Längsachse aufweist;
worin der bestimmte Winkel Φ zwischen der Seite des Sensorchips und der <110<-Richtung durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
Φ = A - BeC (T+t)
worin T eine Dicke der Membran (10b), t eine Dicke des Verbindungsbauteils (7a) und A, B bzw. C bestimmte Konstanten darstellen.
21. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 20, worin T in einem Bereich von 100 µm bis 3500 µm, t in einem Bereich von 15 µm bis 150 µm, A in einem Bereich von 40 bis 45, B in einem Bereich von 15 bis 30 und C in einem Bereich von -4×10-4 bis -2×10-4 liegt.
22. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 20, worin die Membran (10b) aus einem Material hergestellt ist, das aus einem Covar-System-Material oder einem Fe-Ni- System-Mmaterial ausgewählt ist.
23. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b, 9b, 10b) zum Aufnehmen eines Drucks, mit einem Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a), der an der Membran (1b, 9b, 10b) durch ein Verbindungsbauteil (7, 7a) angeordnet ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d), der an dem Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) angeordnet ist; worin
der Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter hergestellt ist, der eine zu der Oberflächenebene des Sensorchips (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) parallele <110<-Richtung aufweist;
entweder der Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) oder das Verbindungsbauteil eine polygonale Form mit einer Seite aufweist, die mit der <110<-Richtung einen bestimmten Winkel ausformt; und
der Dehnungsmeßwiderstand auf einer Achse angeordnet ist, die durch einen Mittelpunkt (O) des Sensorchips (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) parallel zu der <110<-Richtung verläuft.
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