DE2809549A1

DE2809549A1 - Halbleiter-druckwandler

Info

Publication number: DE2809549A1
Application number: DE19782809549
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Ai; Katsuya Katohgi; Yasumasa Matsuda; Yoshitaka Matsuoka; Motohisa Nishihara; Satoshi Shimada; Michitaka Shimazoe; Yukio Takahashi; Masanori Tanabe; Kazuji Yamada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-03-07
Filing date: 1978-03-06
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2809549C2; US4173900A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Halbleiter-Druckwandler

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckwandler aus Dehnungsmessern (Dehnungsmeßstreifen) mit piezoelektrischem oder Piezowiderstands-Effekt, der einheitlich durch Dosieren oder Injizieren eines Dotierstoffes oder Fremdstoffes in die Oberfläche einer Membran aus einem Einkristall aus Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, erhalten ist.

Ein bestehender Halbleiter-Druckwandler mit einer Membran aus z. B. einkristallinem Silizium ist so aufgebaut, daß die Membran einen Trägerteil sowie einen druckempfindlichen Teil aufweist, und die Dehnungsmesser-Einheiten werden in ausgewählten Lagen in der Fläche des druckempfindlichen Teiles durch Diffusion gebildet. Diese Dehnungsmesser-Einheiten sind in einer Wheatstone-Brücke verbunden. Ein derartiger Halbleiter-Druckwandler kann wirk-

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sam eine in der Fläche der Membran erzeugte mechanische
Spannung oder Deformation in ein elektrisches Signal umwandeln. Diese Eigenschaft der Silizium-Membran beruht auf
dem piezoelektrischen Effekt des Halbleitermaterials. Halbleiter-Druckwandler sind Dehnungsmessern mit einem Metall-Leiter in der Empfindlichkeit gegenüber einer physikalischen Größe überlegen, die einwirkt, um eine Deformation oder mechanische Spannung zu erzeugen und um schließlich in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt zu werden; sie sind diesen jedoch unterlegen, da bei der Umwandlung stärkere nichtlineare Ausgangskennlinien hervorgerufen werden.

Die "Nichtlinearität" wird wie folgt festgelegt: Wenn
angenommen wird, daß auf einer Ausgangskennlinie, die die
Beziehung zwischen dem auf die Membran einwirkenden Druck
und einem Ausgangssignal der Dehnungsmesser-Einheit aufgrund des Druckes darstellt, das Ausgangssignal entsprechend einem Druck mit dem Wert Null in einem Punkt V₀ und das Ausgangssignal entsprechend dem höchsten meßbaren Druck in einem
Punkt V gegeben sind, dann stellt die Gerade, die den
Punkt V_n mit dem Punkt V verbindet, das Ausgangssignal
einer idealen Dehnungsmesser-Einheit dar, die eine lineare
Ausgangskennlinie hat. Wenn der Höchstwert der Differenz des Ausgangssignales zwischen der Ausgangskennlinie und der Geraden durch ΔV gegeben ist, wird die Nichtlinearität NL durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

NL = -^- - 100 % (1).

max

Es gibt bereits einen Halbleiter-Druckwandler, der eine derartige Nichtlinearität kompensiert (US-PS 4 050 313). Jedoch

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arbeitet dieser bekannte Druckwandler bei Schwankungen der Umgebungstemperatur nicht befriedigend, da diese die Nichtlinearität und das Ausgangssignal beeinflußt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiter-Druckwandler anzugeben, der den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf die Nichtlinearität kompensieren kann.

Wenn die Lage der tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten in der weiter unten näher erläuterten Weise gewählt wird, während die radialen Dehnungsmesser-Einheiten an bestimmten Stellen auf dem Randteil der Membran vorgesehen sind, dann hat sich gezeigt, daß die Nichtlinearität aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann.

Grundsätzlich wird die Entfernung XT von der Mitte der Membran zur Lage der tangentialen Dehnungsmesser-Einheit kleiner gewählt als die Entfernung XR von der Membranmitte zur Lage der radialen Dehnungsmesser-Einheit, die am Randteil der Membran vorgesehen ist. Unter "Randteil" wird eine Fläche verstanden, die weiter als der halbe Radius der Membran von deren Mitte entfernt ist.

Weiterhin hängt die oben erläuterte Nichtlinearität einer tangentialen Dehnungsmesser-Einheit von der Lage ab, in der der tangentiale Dehnungsmesser in der Membran angeordnet ist. Wenn die Kurve für die Beziehung zwischen der Nichtlinearität der tangentialen Dehnungsmesser-Einheit und dem Abstand von der Mitte der Membran zur Lage des Dehnungsmessers zeigt, daß die Nichtlinearität in einem bestimmten Punkt auf der Kurve den Wert Null hat, ist die optimale Lage der tangentialen Dehnungsmesser-Einheit entsprechend dem Punkt, in dem die Nichtlinearität den Wert Null hat. Wenn zwei Punkte auf der Kurve vorliegen, in denen die Nichtlinearität den Wert Null hat, ist die

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optimale Lage entsprechend der eine Punkt von den beiden Punkten, der näher zur Mitte der Membran als der andere liegt.

Die Erfindung ermöglicht eine Kompensation der Nichtlinearität einer Halbleiter-Dehnungsmesser-Anordnung mit der Änderung der Umgebungstemperatur, indem die Lagen der in der Membran angeordneten Dehnungsmesser-Einheiten gewählt werden.

Die Erfindung sieht also einen Halbleiter-Druckwandler mit einer scheibenförmigen druckempfindlichen Membran vor; zwei radiale Dehnungsmesser-Einheiten mit piezoelektrischem Effekt werden durch Dotieren eines Dotierstoffes in radialer Richtung in der Fläche der Membran gebildet; zwei tangentiale Dehnungsmesser-Einheiten mit piezoelektrischem Effekt werden durch Dotieren eines Dotierstoffes in tangentialer Richtung in der Fläche der Membran gebildet, wobei der Abstand von den beiden radialen Dehnungsmesser-Einheiten zur Mitte der kreisförmigen Membran größer als der Abstand der beiden tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten von der Mitte der kreisförmigen Membran ist.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung von Halbleiter-Dehnungsmesser-Einheiten nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung _s

Fig. 2 einen Schnitt II-II von Fig. I₃

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Fig. 3 eine radiale Dehnungsmesser-Einheit oder eine tangentiale Dehnungsmesser-Einheit für das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung in vergrößerter Darstellung,

Fig. h Kennlinien zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Nichtlinearität und dem Abstand von der Mitte der Membran zur tangentialen Dehnungsmesser-Einheit, wobei die radiale Dehnungsmesser-Einheit im Randteil der Membran festgelegt ist und die Temperatur als Parameter veränderlich ist,

Fig. 5 Kennlinien für die Beziehung zwischen der Nichtlinearität und dem Abstand von der Mitte der Membran zur tangentialen Dehnungsmesser-Einheit, wobei die radiale Dehnungsmesser-Einheit im Randteil der Membran vorgesehen und die Umgebungstemperatur konstant gehalten ist, während die Lage der radialen Dehnungsmesser-Einheit als Parameter verändert wird,

Fig. 6 den Verlauf der mechanischen Spannung in der Oberfläche der Membran, und

Fig. 7 den Verlauf des Piezowiderstandskoeffizienten einer P-Dehnungsmesser-Einheit in der (HO)-Ebene der Membran aus einkristallinem Silizium.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht einen Halbleiter-Druckwandler als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, um zu erläutern, wie die Dehnungsmesser auf der scheibenförmigen Membran vor-

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gesehen sind. Fig. 2 ist ein Schnitt II-II in Fig. 1, wobei einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 1.

In Fig. 1 besteht eine scheibenförmige Membran 10 aus N-leitendem einkristallinem Silizium, und die Oberfläche der Membran fällt mit einer (110)-Kristallebene zusammen. Paare radialer Dehnungsmesser-Einheiten 11 und 12, 21 und 22, 31 und 32 sowie 41 und 42 werden jeweils in radialen Richtungen entlang einer <111> -Kristallachse auf der (HO)-Ebene gebildet, wobei die radialen Dehnungsmesser-Einheiten durch selektive Diffusion eines Dotierstoffes, wie z. B. Bor, entstehen. Paare tangentialer Dehnungsmesser-Einheiten 13 und 14, 23 und 24, 33 und 34 sowie 43 und 44, die ebenfalls durch die gleiche Diffusionstechnik gebildet sind, liegen senkrecht zu den axialen Richtungen und bilden einen Winkel von 45° mit beiden Kristallachsen <110> und <100>. Die radialen Dehnungsmesser-Einheiten liegen in einem größeren radialen Abstand von der Mitte der kreisförmigen Membran 10 als die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten. Die radialen Dehnungsmesser-Einheiten 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41 und 42 liegen im Randteil der Membranfläche vorzugsweise in einem Bereich, in dem die mechanische Spannung am größten ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist der radiale Abstand von der Mitte der kreisförmigen Membran zu den tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten 13, 14, 43 und 44 verschieden vom Abstand von der Mitte zu den tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten 23, 24, 33 und 34; aber diese Abstände können auch gleich sein.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung Einzelheiten einer radialen Dehnungsmesser-Einheit oder einer tangentialen Dehnungsmesser-Einheit. Die radiale Dehnungsmesser-Einheit ist gleich wie die tangentiale Dehnungsmesser-Einheit aufge-

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baut und besteht aus parallelen Streifenteilen 6l, 62, 63 und 64 und aus Verbindungsteilen 65, 66, 67, 68 und 69 mit geringem Widerstand, um die parallelen Streifenteile in Reihe zu verbinden, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Form der Dehnungsmesser-Einheiten ist nicht auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 beschränkt, sondern es kann z. B. auch lediglich ein Streifenteil 6l als Dehnungsmesser-Einheit dienen.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Rückseite der scheibenförmigen Membran 10 ausgeschnitten, um eine Aussparung 53 zu bilden. Ein Trägerteil 52 ist an einem Gehäuse 51 mittels eines Klebstoffes 50 befestigt, und der Trägerteil ist dicker als der druckempfindliche Teil 5^·

Wenn ein Druck P auf die oben erläuterte scheibenförmige Membran einwirkt, unterliegt diese einer Deformation, so daß die jeweiligen Dehnungsmesser-Einheiten mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Die mechanischen Spannungen bewirken ihrerseits Änderung in den Innenwiderständen der Dehnungsmesser-Einheiten aufgrund des piezoelektrischen Effektes. Insbesondere treten positive Widerstandsänderungen in z. B. den radialen Dehnungsmesser-Einheiten 11 und 12 auf, während negative Widerstandsänderungen in z. B. den tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten 13 und 14 hervorgerufen werden. Da diese Dehnungsmesser-Einheiten elektrisch in einer Brückenschaltung angeordnet sind, kann von den Ausgangsanschlüssen der Brücke ein elektrisches Signal proportional zum Druck P erhalten werden.

Im folgenden werden die Eigenschaften eines derartigen Druckwandlers aus einer Membran mit den oben erläuterten Dehnungsmessern näher anhand von Versuchsergebnissen beschrieben. Z. B. wird zum Messen eines Druckes von 5 kp/cm eine Siliziummembran mit radialen und tangentialen Dehnungs-

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messer-Einheiten auf die folgende Weise hergestellt. Der druckempfindliche Abschnitt der Membran ist 0,2 mm dick und hat einen Durchmesser von 8 mm. Der Abstand XR von der Mitte der kreisförmigen Membran zu den radialen Dehnungsmesser-Einheiten auf dem druckempfindlichen Abschnitt ist gewählt mit XR = 3,2 mm oder r/s = 0,8, und der Abstand XT von der gleichen Mitte zu den tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten ist so gewählt, daß XT = 0,8 mm oder r/s = 0,2 vorliegt, wobei r der Abstand von der Mitte der kreisförmigen Membran zur Dehnungsmesser-Einheit und s den Radius der kreisförmigen Membran bedeuten. Wenn die Brücke so durch einen konstanten Strom erregt wird, daß eine Spannung von 3_S5 V an den Eingangsanschlüssen liegt, dann beträgt die Empfindlichkeit der

+ 2

Ausgangsspannung 200 — 20 mV (wahre Größe) je 5 kp/cm mit einer Nichtlinearität von -0,1 % der wahren Größe und einem Temperatureinfluß auf die Nichtlinearität von 0,1 % bis 0,2 % der wahren Größe in einem Temperaturbereich von -40 °C bis 120 °C. D. h., die Nichtlinearitäts-Kennlinie ist beim erfindungsgemäßen Druckwandler um ungefähr ein Drittel besser als beim herkömmlichen Druckwandler, bei dem die radialen und die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten nahezu in gleicher Entfernung von der Membranmitte vorgesehen sind, d. h. XR ^XT, wie dies weiter unten näher erläutert wird. Bei einem anderen Beispiel wird eine Siliziummembran mit einer Dicke von 0,8 mm und einem Durchmesser von 8 mm für die Messung eines Druckes von 100 kp/cm mit XR = 3,2 mm (r/s =0,8) und XT = 1,8 mm (r/s = Ο,45) hergestellt. Wenn die Brücke so durch einen konstanten Strom erregt wird, daß eine Spannung von 3₃5 V" an den Eingangsanschlüssen liegt_s dann sind die Kennlinien für die Nichtlinearität und den Temperatureinfluß im wesentlichen gleich den Kennlinien, die bei der obigen Messung des Druckes von 5 kp/cm erhalten werden.

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Damit hat die in Fig. 1 dargestellte scheibenförmige Membran ausgezeichnete Eigenschaften, da verbesserte Kennlinien erhalten werden können, indem lediglich die Dicke des druckempfindlichen Teiles abhängig von dem zu messenden Druck geändert wird.

Die Erregung der Brückenschaltung ist nicht auf Konstantstrom-Betrieb beschränkt. Ausgezeichnete Nichtlinearitäts-Kennlinien werden bei Erregung mit konstanter Spannung erhalten, wenn der Abstand XT leicht verändert wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Grundaufbau des Druckwandlers nicht davon abhängt, ob die Brückenschaltung der Dehnungsmesser-Einheiten in Konstantstrom-Betrieb oder Konstantspannungs-Betrieb erregt wird.

Fig. 4 zeigt in graphischer Darstellung, wie Änderungen oder Schwankungen der Umgebungstemperatur die Nichtlinearitäts-Kennlinien des Dehnungsmessers beeinflussen. In Fig. 4 sind auf der Abszisse XT und auf der Ordinate der Abstand von der Mitte der kreisförmigen Membran zur tangentialen Dehnungsmesser-Einheit und der Wert der Nichtlinearität NL aufgetragen, wie diese oben erläutert wurde. Der Punkt O auf der Ordinate zeigt, daß die Nichtlinearität in diesem Punkt den Wert Null hat, und NL bedeutet eine Gerade, auf der die Nichtlinearität den Wert Null hat. Beim Auftragen dieser Kennlinien werden die radialen Dehnungsmesser-Einheiten an bestimmten Stellen auf dem Randteil der kreisförmigen Membran festgelegt, die Umgebungstemperatur wird als Parameter genommen, der diskrete Werte T₁, T und T„ annimmt, und die Nichtlinearität wird an verschiedenen Werten des Abstandes von der Mitte der kreisförmigen Membran zur tangentialen Dehnungsmesser-Einheit gemessen, wobei die Umgebungstemperatur auf einer der Tempe-

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raturen T₁, T und T₂ gehalten wird, mit T₁IT^T₃.

Wie aus Fig. 4 folgt, gibt es zwei Punkte auf der Membran, in denen die Nichtlinearität bei einer gegebenen Umgebungstemperatur T den Wert Null annimmt. Einer dieser Punkte ist ein Punkt XT entsprechend dem Punkt d, wo die Kurve für T zum ersten Mal die Gerade NL₀ schneidet, wenn der Abstand X'P fortschreitend von einem geringeren Wert anwächst, und der andere Punkt ist ein Punkt XT₂ entsprechend dem Punkt g, wo die Kurve für T zum zweiten Mal die Linie NL_Q schneidet, wobei der Punkt XT. näher an der Mitte und der Punkt XTp näher am Rand liegt.

Hinsichtlich der Empfindlichkeit der Dehnungsmesser-Einheiten wird der Punkt XT_? vorzugsweise für die Lage der Dehnungsmesser-Einheit gewählt. Beim bekannten Druckwandler (US-PS 4 050 313) liegen die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten an den Punkten entsprechend dem Abstand XT„ und nahe den Lagen der radialen Dehnungsmesser-Einheiten.

Wenn sich jedoch die Umgebungstemperatur von T. nach Tp verschiebt (vgl. Fig. 4), ändert sich die Nichtlinearität am Punkt XT₂ von f nach h, d. h. über eine Änderung von ANLp, während sich die Nichtlinearität am Punkt XT. von c nach d ändert, d. h. über eine Änderung von ANL^„ Es sei darauf hingewiesen, daß die Änderung der Nichtlinearität bei XTp beträchtlich größer als bei XT. ist. Wenn deshalb die Änderung der Umgebungstemperatur berücksichtigt wird, sollten die tangentialen Dehnungsmesser an Punkten entsprechend dem Abstand XT. angeordnet sein.

Im folgenden wird anhand der Fig. 5 näher erläutert, ob XT₁ oder XT₂ für die Lage der tangentialen Dehnungsmesser-Einheit hinsichtlich eines Problems einer Abweichung in der

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Lage der Dehnungsmesser-Einheit vorzuziehen ist, was bei der Herstellung der Aussparung an der Rückseite der Membran erfolgen kann. In Fig. 5 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 4. Fig. 5 zeigt die Änderung der Nichtlinearitäts-Kennlinien, wenn sich die Lage des tangentialen Dehnungsmessers mit — ΔΧ um die Lage XT. oder XTp ändert und die Lage des radialen Dehnungsmessers im Randteil der Membran gleichzeitig um die gleiche Entfernung geändert wird, während die Umgebungstemperatur konstant gehalten wird.

In Fig. 5 entspricht eine Kurve XR der Kurve T in Fig. 4, eine Kurve XR-ΔΧ stellt die Nichtlinearitäts-Kennlinien in dem Fall dar, wenn die radiale Dehnungsmesser-Einheit um -ΔΧ aus ihrer Lage entsprechend der Kurve XR verschoben ist, und eine Kurve XR+ΔΧ entspricht dem Fall, in dem die radiale Dehnungsmesser-Einheit um +ΔΧ aus gleicher Lage verschoben ist.

Wenn nun die tangentiale Dehnungsmesser-Einheit an dem Punkt entsprechend XT. und der radiale Dehnungsmesser gleichzeitig in der Lage über einem Bereich von 2ΔΧ abweichen, dann verschiebt sich die zugeordnete Kennlinie über einem Bereich von i nach k. Wenn die tangentiale Dehnungsmesser-Einheit am Punkt entsprechend XT„ und die radiale Dehnungsmesser-Einheit in der Lage gleichzeitig über einen Bereich von 2ΔΧ abweichen, dann verschiebt sich die zugeordnete Kennlinie über einen Bereich von 1 nach n. Die Neigung der Linie In ist größer als die Neigung der Linie ik, und die Änderung der Nichtlinearität ANL^ ist größer als die Änderung der Nichtlinearität ANL,. Daher werden die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten vorzugsweise an Stellen entsprechend dem Abstand XT.. angeordnet, wobei beide die Abweichung beim Positionieren während der Herstellung der Aussparung berücksichtigen.

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In Pig. ¹J und 5 sind Fälle dargestellt, in denen die Kurve, die die Beziehung zwischen dem Abstand von der Mitte der kreisförmigen Membran zur tangentialen Dehnungsmesser-Einheit und den Wert der Nichtlinearität darstellt, die Gerade in zwei Punkten schneidet, die die Nichtlinearität mit dem Wert Null angibt. Es gibt jedoch auch einen Fall, in dem die Kurve die Gerade lediglich in einem Punkt berührt. In diesem Fall müssen die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten an Stellen entsprechend dem Berührungspunkt angeordnet werden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen, wie ein Halbleiter-Druckwandler eine hohe Ausgangsempfindlichkeit, eine gleichförmige Kennlinie und eine hervorragende Linearität besitzt, wenn er entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 aufgebaut ist.

Fig. 6(b) zeigt die Lagebeziehung zwischen den Dehnungsmesser-Einheiten 11 und 13, die in der in Fig. 1 gezeigten Weise auf der scheibenförmigen Membran angeordnet sind. Wenn der Trägerteil 52 der Membran starr am Gehäuse 51 befestigt ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, dann unterliegen die Dehnungsmesser-Einheiten 11 und 13 auf der Membran einer Oberflächenspannung, wie dies in Fig. 6(a) gezeigt ist. Der PiezowiderStandskoeffizient, der der Empfindlichkeitskoeffizient der Dehnungsmesser 11 und 13 ist, ändert sich in der in Fig. 7 gezeigten Weise.

In Fig. 6(a) ist auf der Abszisse das Verhältnis des AbStandes r zwischen der Mitte der kreisförmigen Membran und der Dehnungsmesser-Lage zum Radius s der kreisförmigen Membran aufgetragen, und die Ordinate bezeichnet die Spannung, wobei Punkte 0 und 1 jeweils der Mitte und der Außengrenze der kreisförmigen Membran entsprechen. Die mechanischen Spannungen in radialer und tangentialer Richtung sind je-

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-•is -

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weils durch (JT und 6. bezeichnet.

Jr U

Die Biegespannungen S und G sind durch die folgen- den Ausdrücke gegeben:

⁶r ⁼ I * Φ²' [^{(1 +V)} "^^{2 (3}

mit γ = f ,

a = Radius des druckempfindlichen Teiles der Membran,

h = Dicke des druckempfindlichen Teiles der Membran,

V = Poissonsche Zahl, und

P = einwirkender Druck.

Die Abszisse und die Ordinate in Fig. J entsprechen jeweils der <11O> - und der <100>-Kristallachse durch die Mitte der Oberfläche der kreisförmigen Membran mit einer (100)-Ebene, undS", und ST". zeigen jeweils die Piezowiderstandskoeffizienten in Längs- und Querrichtung. Diese Koeffizienten haben zueinander entgegengesetzte Vorzeichen.

Die Beziehung zwischen dem Radius und der Änderungsgeschwindigkeit im Widerstandswert des Dehnungsmessers wird näherungsweise durch den folgenden Ausdruck beschrieben:

mit ""--ι= Piezowiderstandskoef fizient in Längsrichtung, &\ = Piezowxderstandskoeffizient in Querrichtung,

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6 = mechanische Spannung in radialer Richtung, und Q. = mechanische Spannung in tangentialer Richtung.

Auf ähnliche Weise folgt für die tangentialen Dehnungs messer-Einheiten in tangentialer Richtung:

Da entsprechend den Ausdrücken (2) und (3) die mechanischen Spannungen 6 und 6 ihre Größe abhängig vom Abstand zwischen der Membran und der Lage der Dehnungsmesser-Einheit ändern, sollte der Widerstandswert jeder Dehnungsmesser-Einheit mit der Entfernung von der Membran geändert werden.

Wie aus Fig. 7 folgt, zeigt der radiale Dehnungsmesser den Höchstwert seines Längs-Piezowiderstandskoeffizienten ^₁ an einer Stelle entlang der <lll!>-Achse durch die Mitte der kreisförmigen Membran, während der tangentiale Dehnungsmesser den Höchstwert seines Quer-Piezowiderstandskoeffizienten JC an einer Stelle entlang einer Achse durch die Mitte der kreisförmigen Membran hat, wobei diese Achse einen Winkel von 45° mit der <110>- und der <100>-Achse bildet. Darüber hinaus ist bei den so gewählten Lagen entsprechend den Krümmungspunkten auf den Kurven von 3^, bzw. 3C. die Abweichung im Widerstandswert aufgrund falscher Winkelanordnung gering.

Insbesondere entsprechen die Punkte A und B in Fig. 7 dem ersten bzw. zweiten Term der Gleichung (*») beim radialen Dehnungsmesser, während die Punkte a und b dem ersten bzw. zweiten Term der Gleichung (5) beim tangentialen Dehnungsmesser entsprechen. Die Erfinder haben zunächst die Eigenschaften einer Dehnungsmesser-Einheit bei Einwirkung einer

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einaxialen mechanischen Spannung untersucht und ermittelt, daß die Nichtlinearität mit oder ohne TemperaturSchwankung größer wird, wenn die radialen und tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten jeweils einaxialen mechanischen Spannungen in Querrichtung unterworfen werden, als wenn diese einaxialen mechanischen Spannungen in Längsrichtung ausgesetzt sind. Daraus folgt, daß die Nichtlinearitäten der radialen und tangentialen Dehnungsmesser in der in Fig. 6(b) gezeigten Lagebeziehung kleiner werden, wenn beide Dehnungsmesser so angeordnet sind, daß sie in erster Linie mechanischen Längsspannungen ausgesetzt sind, und daher werden die Eigenschaften der Dehnungsmesser hauptsächlich durch den ersten Term der Gleichungen (¹I) und (5) bestimmt.

Der radiale Dehnungsmesser sollte also an einer Stelle angeordnet werden, die auf der <111>-Achse liegt und wo die einwirkende tangentiale Spannung 6. nahezu den Wert Null hat, d. h. 6, ä* O, während der tangentiale Dehnungsmesser an einer Stelle vorgesehen werden sollte, die auf einer Achse liegt, die einen Winkel von 45° zur <110>- Achse und zur <100>-Achse bildet und näher zur Mitte der Membran als der radiale Dehnungsmesser liegt, wo die einwirkende radiale mechanische Spannung 6 nahezu den Wert Null hat, d. h. 6-_r& 0, um den Wert der Nicht linearität jedes Dehnungsmessers mit oder ohne Schwankung der Umgebungstemperatur kleiner zu machen. Wenn jedoch die durch die Gleichungen (4) und (5) gegebenen Änderungsgeschwindigkeiten der Widerstandswerte für die radialen und tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten verschieden voneinander sind, stimmen die optimalen Lagen für die kleinste Nichtlinearität der jeweiligen Dehnungsmesser-Einheiten nicht zwingend mit deren optimalen Lagen für die kleinste Nichtlinearität des Ausgangssignales der Brückenschaltung der Dehnungsmesser-Einheiten überein,

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die einen Druckwandler bilden. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Dehnungsmesser-Einheiten unter Berücksichtigung dieser Überlegungen angeordnet. Daher muß die Lage der tangentialen Dehnungsmesser-Einheit erfindungsgemäß bestimmt werden, um die Nichtlinearität aufgrund Änderungen oder Schwankungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren.

Der in Fig. 1 dargestellte Membran-Dehnungsmesser hat folgende Vorteile:

(1) Da die radialen Dehnungsmesser-Einheiten und die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten auf den kristallographischen Achsen angeordnet sind, die die größte Empfindlichkeit des P-leitenden Dehnungsmessers geben_s werden große Änderungen im Widerstandswert möglich_s so daß eine hohe Empfindlichkeit des Ausgangssignales erzielbar ist.

(2) Die radialen und die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten sind an Stellen angeordnet, die die größte Empfindlichkeit geben, und die Nichtlinearität aufgrund Schwankungen der Umgebungstemperatur kann einfach kompensiert werden, indem lediglich die Stellen gesteuert werden, an denen die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten vorgesehen vrerden,,

Weiterhin werden die Vorteile der Erfindung durch eine Anordnung erreicht (vgl. Fig« 7), bei der die erlaubte Winkelabweichung für die radialen Dehnungsmesser-Einheiten auf der <111>-Achse in einem Bereich von ca. — 10° vom Punkt A liegt, und die erlaubte Winkelabweichung für die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten auf der Achse _s die einen Winkel von 45° mit der <110>-Achse bildet ₃ liegt in einem Bereich von ca. — 10° vom Punkt a, d. h. über einem

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Bereich von der <111>-Achse bis zu der <112>-Achse. Daher können die mit einer genauen Anordnung der Dehnungsmesser-Einheiten verbundenen Schwierigkeiten ausgeschlossen werden.

(3) Es ist möglich, die Änderung der Nichtlinearität aufgrund einer Abweichung der Dehnungsmesser-Einheiten in der relativen Lage zu der Aussparung auf der Rückseite der Membran klein zu machen. Damit können Druckwandler mit gleichmäßigen Kennlinien selbst bei Massenproduktion hergestellt werden.

(4) Da die radialen und die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten an den Stellen entsprechend den Krümmungspunkten auf den Empfindlichkeitskurven liegen, kann die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit aufgrund der Abweichungen der kristallographischen Achsen bis zu einem sehr kleinen Grad verringert werden, so daß die Reproduzierbarkeit einer gleichmäßigen Kennlinie verbessert werden kann.

(5) Die Dehnungsmesser-Einheiten sind, wie in Fig. 1 gezeigt, so angeordnet, daß vier Dehnungsmesser-Einheiten in jedem Quadranten der kreisförmigen Membran liegen, wobei die Dehnungsmesser-Einheiten, nämlich z. B. die Dehnungsmesser-Einheiten 11, 12, 13 und 14 im ersten Quadranten, eine Brücke bilden, die als Druckwandler einsetzbar ist. Wenn so ein Dehnungsmesser-Muster aufgebaut wird, das verschiedene vier Kombinationen von radialen und tangentialen Dehnungsmessern hat, die für verschiedene Druckbereiche einsetzbar sind, dann können vier verschiedene Druckmesser aufgebaut werden, indem lediglich das oben erläuterte Dehnungsmesser-Muster verwendet wird.

Die Erfindung ist nicht auf die in Fig. 1 gezeigte

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Membran beschränkt; vielmehr kann z. B. die scheibenförmige Membran auch aus N-Silizium bestehen, wobei ihre druckempfindliche Fläche mit der (lll)-Ebene zusammenfällt. Da die (Hl)-Ebene isotrop ist, können die Richtungen der Anordnung der Dehnungsmesser-Einheiten beliebig gewählt werden, und wenn die Lagen der Dehnungsmesser-Einheiten erfindungsgemäß bestimmt werden, kann die Nichtlinearität abhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf einfache Weise kompensiert werden.

Im folgenden werden andere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung in einer Tabelle angegeben:

Nr.	Dehnungsmesser- Material	Druck empfind liche Fläche	Radial- Achse	Tangential- Achse
1	P-Silizium	(110)	^110>	<100>
cvi	P-Silizium	(211)	<lll>oder<011>	<111> oder <011>
3	P-Silizium	(110)	<110>	Achse bildet Win kel von 45° mit <110> oder <100>
	P-Silizium	(110)	<111>	<112>

Beim erfindungsgemäßen Druckwandler kann also die Nichtlinearität aufgrund Schwankungen der Umgebungstemperatur einfach kompensiert werden, so daß ein Halbleiter-Druckwandler erhalten wird, der einen sehr weiten Bereich seiner Betriebstemperaturen hat.

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Claims

Ansprüche

2.

) Halbleiter-Druckwandler mit

einer scheibenförmigen Membran aus einkristallinem Halbleitermaterial,

wenigstens einer Radial-Dehnungsmesser-Einheit mit Piezowiderstandseffekt in Radial-Richtung in der scheibenförmigen Membran,

wenigstens einer Tangential-Dehnungsmesser-Einheit mit Piezowiderstandseffekt in Tangential-Richtung der scheibenförmigen Membran, und

mit einem Träger für den Außenrandteil der scheibenförmigen Membran,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Radial-Dehnungsmesser-Einheit (11, 12; 21, 22; 31, 32; 4l, 42) nahe dem Randteil der scheibenförmigen Membran (10) vorgesehen ist, und

daß die Tangential-Dehnungsmesser-Einheit (13, I¹J; 23, 24; 33, 34; 43, 44) näher zur Mitte der Membran (10) als die Radial-Dehnungsmesser-Einheit (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) liegt (Fig. 1).

Halbleiter-Druckwandler mit

einer scheibenförmigen Membran aus einkristallinem Halbleitermaterial,

Bl-(A 2930-02)-KoE

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ORiGlMAL INSPECTED

wenigstens einer Radial-Dehnungsmesser-Einheit mit Piezowiderstandseffekt in Radial-Richtung in der scheibenförmigen Membran,

wenigstens einer Tangential-Dehnungsmesser-Einheit mit Piezowiderstandseffekt in Tangential-Richtung der scheibenförmigen Membran, und

einem Träger für den Außenrandteil der scheibenförmigen Membran,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Radial-Dehnungsmesser-Einheit (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) nahe dem Randteil der scheibenförmigen Membran (10) vorgesehen ist, und

daß die Tangential-Dehnungsmesser-Einheit (13₃ 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) in der Lage nahe dem Punkt vorgesehen ist, in dem die Kurve, die die Beziehung zwischen der Nichtlinearität und dem Abstand von der Mitte der Membran (10) zur Tangential-Dehnungsmesser-Einheit (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43j 44) darstellt, zum ersten Mal die Gerade schneidet, auf der die Nichtlinearität den Wert Null hat.

Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die scheibenförmige Membran (10) aus N-leitendem Silizium besteht, dessen druckempfindliche Fläche mit einer (110)-Ebene zusammenfällt,

daß die Radial-Dehnungsmesser-Einheit (11, 12; 21, 22; 31, 32; 4l, 42) aus P-leitendem Silizium besteht und auf einer <111>-Achse angeordnet ist, und

daß die Tangential-Dehnungsmesser-Einheit (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) P-leitend ist und senkrecht zur axialen Richtung angeordnet ist, die einen Winkel von 45° zur <110>- und zur <100>-Achse bildet.

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4. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die scheibenförmige Membran (10) aus N-leitendem Silizium besteht, dessen druckempfindliche Fläche mit einer (111)-Ebene zusammenfällt, und

daß die Dehnungsmesser-Einheiten (11, 12; 21, 22; 3I₃ 32; 41, 42; 13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) P-leitend sind.

5. Halbleiter-Druckwandler mit

einer scheibenförmigen Membran aus einkristallinem Halbleitermaterial,

wenigstens einem Paar Radial-Dehnungsmesser-Einheiten mit Piezowiderstandseffekt in Radial-Richtung in der scheibenförmigen Membran,

wenigstens einem Paar Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten mit Piezowiderstandseffekt in Tangential-Richtung der scheibenförmigen Membran, und

einem Träger für den Außenrandteil der scheibenförmigen Membran,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Paar der Radial-Dehnungsmesser-Einheiten (11, 12; 21, 22; 31, 32; 4l, 42) nahe dem Randteil in jedem Quadranten und an bezüglich zur Radial-Achse symmetrischen Stellen vorgesehen ist, und

daß das Paar der Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) näher in jedem Quadranten ■ zur Mitte der Membran (10) als das Paar der Radial-Dehnungsmesser-Einheiten (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) und an zur Radial-Achse symmetrischen Stellen vorgesehen ist.

6. Halbleiter-Druckwandler mit

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einer scheibenförmigen Membran aus einkristallinem Halbleitermaterial,

wenigstens einem Paar von Radial-Dehnungsmesser-Einheiten mit Piezowiderstandseffekt in Radial-Richtung in der scheibenförmigen Membran,

wenigstens einem Paar von Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten mit Piezowiderstandseffekt in Tangential-Richtung der scheibenförmigen Membran, und

einem Träger für den Außenrandteil der scheibenförmigen Membran,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Paar der Radial-Dehnungsmesser-Einheiten (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) nahe dem Randteil in jedem Quadranten und an bezüglich der Radial-Achse symmetrischen Stellen vorgesehen ist, und

daß das Paar der Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; iJ3, 44) vorgesehen ist in jedem Quadranten nahe den Stellen entsprechend dem Punkt, in dem die Kurve, die die Beziehung zwischen der Nichtlinearität und dem Abstand von der Mitte der Membran (10) zu den Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13₃ 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) darstellt, zum ersten Mal die Gerade schneidet, auf der die Nichtlinearität den Wert Null hat, und an bezüglich zur Radial-Achse symmetrischen Stellen.

Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand von der Mitte der Membran (10) zu einem Paar der Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43» 44) in wenigstens einem der vier Quadranten, deren jeder wenigstens ein Paar der Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) aufweist, verschieden vom Abstand von der Mitte zu einem

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Paar der Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) in einem anderen Quadranten ist.

Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Radial-Dehnungsmesser-Einheiten (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) mehrere parallele Streifenteile (61, 62, 63, 64) hat,

daß jede der Tangential-Dehnungsmesser-Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 4M mehrere parallele Streifenteile (61, 62, 63, 64) hat, und

daß die Streifenteile (61, 62, 63, 64) in Reihe durch Verbindungsteile (65, 66, 67, 68, 69) mit geringem Widerstand verbunden sind (Fig. 3).