DE2934073A1

DE2934073A1 - Frequenzanaloger vielfachsensor zur gleichzeitigen messung mehrerer physikalischer groessen

Info

Publication number: DE2934073A1
Application number: DE19792934073
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 8950 Kaufbeuren Obermeier; Herbert Dr.-Ing. 8021 Baierbrunn Reichl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1981-07-23
Also published as: DE2934073C2

Description

Bezeichnung : Frequenzanaloger Vielfachsensor zur
gleichzeitigen Messung mehrerer physikalischer Größen.
Die Erfindung betrifft einen frequenzanalogen Vielfachsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Frequenzanaloge Sensoren erfreuen sich in der Meßtechnik zunehmender Beliebtheit, weil sie ein auf digitalem Wege leicht weiterverarbeitbares Ausgangssignal in Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms mit einer vom Wert einer zu überwachenden physikalischen Größe abk-ingigen Frequenz liefern. Derartige Sensoren umfassen üblicherweise einen Oszillatorschaltkreis sowie ein die Schwingfrequenz des Oszillators bestimmendes Fühlelement mit einer von einer zu überwachenden Meßgröße abhängigen charakteristischen elektrischen Eigenschaft. Als Oszillatoren haben sich'RC-Oszillatoren bewährt.cDas Fthlelement wird in diesem Fall von dem Widerstand oder der Kapazität des RC-Kreises gebildet.
Sollen an einer MeGstelle gleichzeitig mehrere verschiedene physikalische Größen auf frequenzanalogem Wege erfaßt werden, so bedurfte es bisher einer entsprechenden Anzahl von separaten Sensoren mit jeweils einem auf eine der zu erfassenden Größen abgestimmten Fühlelement. Da bei den bekannten frequenzanalogen Sensoren zudem der Oszillatorschaltkreis und das Fühlelement als körperlich voneinander unabhängige elektrische Baugruppen vorliegen, bedeutete eine Simultanmessung mehrerer Größen an einem Ort bisher einen erheblichen baulichen und schaltungstechnischen Aufwand, dessen mechanische und elektrische Störanfälligkeit auf der Hand liegen.
Nun ist zwar bereits ein Sensor zur gleichzeitigen Erfassung zweier Meßgrößen, nämlich des Druckes und der Temperatur, bekannt, bei dem die einzelnen Bestandteile zur Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile monolithisch integriert sind, vergl. den SAE-Tagungsbericht "Semiconductor Sensors for Automotive Instrumentation von K.N. Sundaram anläßlich des Automobile Engineering Meeting, Detroit, Mich. 14.-18. Mai 1973. Der bekannte Sensor arbeitet jedoch nicht frequenzanalog, sondern wandelt den an seinem Aufstellungsort herrschenden Druck sowie die Temperatur nach jeweils unterschiedlichen physikalischen Prinzipien in Gleichsignale mit meßgrößenabhängiger Amplitude um. Abgesehen davon, daß der bekannte Doppelsensor nicht die Vorteile der frequenzanalogen Technik bietet, erschwert das ihm zugrunde liegende, auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien der einzelnen Fühlelemente basierende Konzept die Technologie der monolithischen Integration erheblich.
Auch kann dieses Konzept keine Anregung vermitteln, wie im Falle einer Integration von auf unterschiedliche Meßgrößen ansprechenden bekannten frequenzanalogen Sensoren vorzugehen wäre, da eine Lösung des sich einem solchen Vorgehen in den Weg stellenden Problems - der technologischen Realisierung der Kapazität der üblichen RC-Oszillatoren als integriertes Schaltelement - bisher nicht existiert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde,»einen kompakten störunanfälligen frequenzanalogen Vielfachsensor zur gleichzeitigen Messung mehrerer physikalischer.Größen an einem Ort zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die gleichartige Ausführung der Oszillatorschaltkreise als I2L-Ringoszillatoren eröffnet die Möglichkeit, sämtliche erforderlichen Einzelsensoren im wesentlichen gleichzeitig herzustellen. Die Realisierung der Meßwiderstände läßt sich auf einfache Weise in den technologischen Herstellungsprozeß der Gesamtschaltung einbeziehen. Insbesondere lassen sich neben z.B. temperatur- oder photoempfindlichen Widerständen auch druck- oder kraftabhängige Fühlwiderstände leicht verwirklichen, weil druckempfindliche Membranen oder durch Krafteinwirkung verformbare Biegebalken als mit dem Halbleiterchip integrale Träger derartiger Fühlwiderstände nur einfacher Ätzschritte bedürfen, die sich in den Herstellungsablauf ohne weiteres einfügen.
Bei geeigneter Wahl der Arbeitspunkte der einzelnen Oszillatorschaltkreise, z.B. mittels externer oder integrierter Vorwiderstände, schwingen sämtliche Oszillatoren bei verschiedenen Frequenzen, so daß die Meßinformationen über nur zwei Leitungen der Auswerteelektronik zugeführt und dort-getrennt werden können. Die Energieversorgung des gesamten Halbleiterchips kann über dieselben Leitungen erfolgen. Eine derartige Zweidrahttechnik ist insbesondere im Falle grösserer Übertragungsstrecken von Vorteil.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vielfachsensors zur Erfassung zweier verschiedener physikalischer Größen, Fig. 2 einen Schnitt durch ein Halbleiterchip eines Vielfachsensors, bei dem einer der Meßwiderstände als Druckfühler ausgebildet ist, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Betriebsschaltung für den erfindungsgemäßen Vielfachsensor, Fig. 4 den Verlauf verschiedener beim Betrieb des erfindungsgemäßen Vielfachsensors entstehender Signale, Fig. 5a und b Schnitte durch ein den erftndungsgemäßen Vi eifachsensor enthaltendes Gehäuse.
Im folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der der Einfachheit halber ein nur zwei Einzel sensoren umfassender Vielfachsensor schaltungsmäßig dargestellt ist.
Gemäß Fig. 1 sind in einem durch die strichpunktierte Umrandung 151 angedeuteten Halbleiterchip 15 zwei Oszillatoren 23 und 24 sowie zwei Widerstände 25 und 21 monolithisch integriert.
Jeder der beiden jeweils durch eine unterbrochene Linie 23' bzw. 24' eingerahmten Oszillatoren 23 bzw. 24 ist als Ringoszillator in I2L-Technik aufgebaut und umfaßt jeweils eine ungerade Anzahl n von für die 1 2L-Technik charakteristischen Schaltungsstufeh aus jeweils einem lateralen Transistor Tlm und einem vertikalen Transistor T2m mit 1 < m i n. Die Lateraltransistoren werden im vorliegenden Beispiel von pnp-Transistoren und die Vertikaltransistoren von npn-Transistoren gebildet. Zusätzlich besitzt jeder Oszillator eine-Ausgangsstufe, die ebenfalls aus einem lateralen pnp-Transistor Ta und einem vertikalen npn-Transistor Tb besteht.
Bei Jedem Ringoszillator 23, 24 sind die Kollektoren der beiden Transistoren Tim und T2m einer jeden Schaltungsstufe miteinander sowie mit der Basis des npn-Transistors T2(m+l> der jeweils nächstfolgenden Schaltungsstufe verbunden. Außerdem sind sowohl die Emitter der pnp-Transistoren Tim als auch die Emitter der npn-Transistoren T2m der einzelnen Schaltungsstufen jedes Oszillators jeweils zusammengeschlossen.
Die Emitter der letztgenannten Transistoren T2 liegen dabei ebenso wie die Basen der pnp-Transistoren Tim auf der internen Masse 27 des Chips 15. Schließlich besitzt jeder Oszillator 23 bzw. 24 eine Rückkopplungsleitung 29, welche jeweils die Basis des npn-Transistors T21 der ersten SchaItungsstufe mit einem zweiten Kollektor des npn-Transistors T2n der letzten Schaltungsstufe verbindet. Der zweite Kollektor des Transistors T2n ist zusätzlich zu dem bereits angesprochenen, mit dem Kollektor des pnp-Transistors Tin verbundenen ersten Kollektor vorgesehen.
In den erwähnten Ausgangsstufen der beiden Ringoszillatoren 23 bzw. 24 ist der Emitter des Transistors Ta jeweils mit den Emittern der Transistoren Tim des betreffenden Ringoszillators zusammengeschaltet, während seine Basis an der internen Chipmasse liegt und sein Kollektor mit dem Kollektor des Transistors Tb verbunden ist. Der Emitter letzteren Transistors liegt jeweils auf Masse; seine Basis ist jeweils mit dem ersten Kollektor des Transistors T2n des betreffenden Ringoszillators verbunden.
Jedem der Ringoszillatoren 23 bzw. 24 ist jeweils ein Mepwiderstand 25 bzw. 21 zugeordnet. Jeder Meßwiderstand ist in einer noch zu erläuternden Weise derart konzipiert, daß er seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von jeweils einer bestimmten physikalischen Größe in eindeutiger Weise ändert.
Während die eine Klemme eines jeden Meßwiderstands 25 bzw.
21 jeweils mit den Emittern der Lateraltransistoren T1m, T des zugehörigen Ringoszillators 23 bzw. 24 verbunden ist, ist die jeweiis andere Klemme Jeweils an einen Ausgangsanschluß 155 bzw. 152 des Halbleiterchips 15 gelegt. Die die Ausgänge der Oszillatorschaltungen 23, 24 bildenden Kollektoren der Transistoren Tal Tb sämtlicher Ausgangsstufen sind gemeinsam an einen weiteren Ausgangsanschluß 153 des Halbleiterchips gelegt.
Schließlich besitzt das Chip 15 noch einen Ausgangsanschluß 154, der mit der internen Masse 27 des Chips in Verbindung steht.
Die einzelnen technologischen Schritte zur Herstellung der integrierten Schaltung 15 nach Fig. 1 werden im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, welche ein Siliziumchip 15 im Querschnitt zeigt. Dabei ist einer der Meßwiderstände 21 des in das Chip integrierten Vielfachsensors in eine druckempfindliche Membran eingebettet. Die Beschreibung beschränkt sich auf die Herstellung eines einzigen integrierten Sensorbausteins. Es versteht sich Jedoch, daß in der Praxis gleichzeitig eine Vielzahl von Sensoren innerhalb einer handelsüblichen Halbleiterscheibe verwirklicht werden können.
Als Ausgangsmaterial dient beispielsweise eine Siliziumscheibe 16, die zunächst mit einer n-leitenden epitaktischen Schicht 18 versehen wird. Die Epischicht 18 wird anschliessend mit einer schützenden Siliziumdioxidschicht 20 überzogen. Sodann werden mittels üblicher Photoresisttechniken der Konfiguration aller Emitter und Kollektoren der pnp-Transistoren sowie aller Basen der npn-Transistoren entsprechende Fenster zusammen mit weiteren Fenstern für die Isolationswannen der Meßwiderstände in der Oxidschicht 20 geöffnet und die genannten Komponenten durch Bordiffusion in ein- und demselben Dotierungsschritt erzeugt. Nach einem erneuten, der Verschließung der genannten Fenster dienenden Oxidationsschritt werden der Konfiguration der Kollektoren aller npn-Transistoren und der Meßwiderstände entsprechende Fenster in der Oxidschicht 20 geöffnet und sämtliche n-leitenden Kollektorgebiete und die Meßwiderstände 21, 25 durch eine Phosphordiffusion hergestellt. Anschließend werden die Fenster für die. Phosphordiffusion durch Oxidation wieder geschlossen.
Es folgt die beidseitige Aufbringung einer Nitridschicht, die anschließend mittels Photoresisttechnik auf der Unterseite der Siliziumscheibe 16 im Bereich eines der eindiffundierten Widerstände 21 entferntrd, so daß dort das Silizium 16 bis auf eine dünne Membranschicht 17 durch Ätzen mittels einer geeigneten Säure entfernt werden kann. Nach dem Ätzvorgang wird die Nitridschicht wieder entfernt. Nach einem weiteren-Oxidationsschritt zur Passivierung der freien Siliziumoberflächen werden durch Photoresisttechnik der erforderlichen Kontaktkonfiguration 22 entsprechende Fenster geöffnet. Die Kontaktlöcher werden in einem anschließenden einseitigen ganzflächigen Metallisierungsschritt mit einem geeigneten Kontaktmetall gefüllt. Schließlich wird die Kontaktstruktur 22 mittels Photoresisttechnik erzeugt.
Als Basen sämtlicher pnp-Transistoren'und Emitter sämtlicher npn-Transistoren fungieren jeweils n-leitende Bereiche der Epischicht 20, so daß ein spezieller Herstellungsschritt für diese Komponenten entfällt. Die Bor- bzw. Phosphor-diffundierten Bereiche sind in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 19 bzw.
50 versehen.
Bei einer Durchbiegung der Membran 17 unter Druckeinwirkung ändert sich der in die Membran eindotierte Widerstand, und damit in noch zu beschreibender Weise das Ausgangssignal des Vielfachsensors. Beispiele für mit den Meßwiderständen weiterer Einzelsensoren des Vielfachsensors erfaßbare Größen sind eine Lichtintensität, eine Temperatur und eine Kraft.
Zur Realisierung eines Kraftaufnehmers ist ein weiterer Ätzschritt zur Ausbildung eines einen Meßwiderstand aufnehmens den Biegebalkens it aem 'Suiiizium-Ausgangsmaterial erforderlich. Zur Ausbildung eines der Einzelsensoren als Photosensor oder als Temperatursensor bedarf es lediglich der Auslegung des betreffenden Meßwiderstands als Photowiderstand, z.B. mittels flacher Phosphordiffusion niedriger Dotierungskonzentration (1014 - 1015 cm 3) ohne weitere Passivierung - bzw. als temperaturabhängiger Widerstand, der ebenfalls durch eine Phosphordiffusion geeigneter Dotierungskonzentration (1015 - 1016 cm3) realisierbar ist.
Anhand der Fig. 3 wird nunmehr eine zum Betrieb des erfindungsgemäßen Vielfachsensors geeignete Schaltungsanordnung beschrieben.
Diese Schaltungsanordnung umfaßt drei Schaltungsteile, und zwar a) einen ersten Teil in Form von unmittelbar an das Sensorchip angeschlossenen externen Schaltelementen; b) einen zweiten Teil 60 zur Energieversorgung, sowie c) einen dritten Teil 40 zur Signalaufbereitung und -anzeige.
Der erste Schaltungsteil weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Vorwiderstand 12 auf, der mit einer Klemme an den Ausgangsanschluß 155 des Chips 15 angeschlossen ist, weiter einen Vorwiderstand 11, der mit einer Klemme an den Ausgangsanschluß 152 des Chips 15 angeschlossen ist, sowie einen Kondensator 13, dessen einer Belag an den Ausgangsanschluß 153 des Chips 15 gelegt ist. Die jeweils anderen Klemmen der beiden Vorwiderstände 11, 12 sowie der andere Belag des Kondensators 13 sind miteinander-und mit einem Leiter 30 verbunden. Die Vorwiderstände 11, 12 und der Kondensator 13 können variabel ausgebildet sein und sind in geeigneter, noch zu beschreibender Weise zusammen mit dem Chip 15 in ein Gehäuse 3 eingebaut, das mit der elektrischen internen Chipmasse 27 über den Ausgangsanschluß 154 in leitendem Kontakt steht. An den Ausgangsanschluß 154 ist außerdem ein weiterer Leiter 31 angeschlossen.
Die Leiter 30, 31 dienen sowohl der Zufuhr der elektrischen Energie von der Energieversorgungsschaltung 60 zum Halbleiterchip 15 als auch der Übertragung der Meßinformation vom Chip zur Signalverarbeitungsschaltung 40. Die beiden Schaltung teile 60 bzw. 40 sind zu diesem Zweck parallel zueinander'an die Leiter 30, 31 angeschlossen. Die Länge dieser Leiter richtet sich nach der zu überwindenden Ubertragungsstrecke 70.
Sofern die Verhältnisse keine räumlich getrennte Anordnung des Sensors von der Energieversorgung und der Signalverarbeitung erforderlich machen, können alle in Fig. 3 gezeigten Teile auch in einem Gerät zusammengefaßt werden.
Die Energieversorgungsschaltung 60 umfaßt eine Gleichspannungsquelle 33, die eine Spannung UB erzeugt und deren einer Pol über einen Widerstand R3 mit dem Leiter 30 und deren anderer Pol über Masse 401 mit dem Leiter 31 verbunden ist.
In der Signalverarbeitungsschaltung 40 ist für jeden einzelnen im Halbleiterchip 15 integrierten Sensor ein eigener Signalkanal vorgesehen. Die einzelnen Kanäle sind parallel zueinander an den Leiter 30 angeschlossen und enthalten in Signalflußrichtung gesehen jeweils der Reihe nach einen Entkopplungskondensator 41, ein Bandfilter 42, einen Begrenzerverstärker 43 und einen Zähler 44. Die Zähler 44 der einzelnen Signalkanäle sind ausgangsseitig über n-bit-Datenleitungen 47 an Dateneingänge eines Mikroprozessors 46 angeschlossen. Dieser wiederum steuert die Zählzeiten des Zählers 44 über Start/Stop-Leitungen 45 und speist außerdem die Digitalanzeigeeinheit 48, die eine der Anzahl der anzuzeigenden Größen entsprechende Zahl von Anzeigefeldern besitzt.
Die einzelnen Bandfilter sind hinsichtlich ihrer Mittenfrequenz f sowie der Breite ihrer Durchlaßbänder auf die Arbeitsfrequenzen der einzelnen Ringoszillatoren sowie deren mögliche Änderungsbereiche abgestimmt.
Die Verbindung des Schaltungsteils 40 mit dem Leiter 31 ist symbolisch durch den Masseanschluß 401 angedeutet.
Im folgenden wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher erläutert.
Wenn die Vorwiderstände 11, 12 so gewählt werden, daß die Ringoszillatoren 23, 24 mit unterschiedlichen InJektorströmen aus der Gleichstromquelle 60 gespeist werden, erzeugen diese Oszillatoren Rechteckschwingungen mit unterschiedlicher Frequenz. Ein möglicher Verlauf des Ausgangssignals des Ringoszillators 23 ist in Fig. 4a gezeigt, während Fig. 4b die vom Oszillator 24 erzeugte Schwingungsform darstellt.
Die beiden Rechteckschwingungen werden durch die in Fig. 1 gezeigte Zusammenfassung an den Kollektoren der Transistoren Taw Tb der Oszillatorausgangsstufen gemäß einer NOR-Bedingung überlagert, so daß sich die in Fig. 4c gezeigte Schwingungsform ergibt, deren Pegel jeweils zu den Zeiten vom Massepotential 27,401 verschieden ist, wo die Pegel beider Einzelschwingungen nach den Figuren 4a und b dem Massepotential entsprechen.
Die Überlagerungsschwingung nach Fig. 4c wird über den die Gleichspannung U (= Differenz zwischen UB und Spannung an 0 R3) vom Ausgangsanschluß 153 des Chips 15 abblockenden Kondensator 13 auf den Leiter 30 gekoppelt und dort zu dieser Gleichspannung U addiert (Fig. 4d). In den Bandfiltern 42 der ein-0 zelnen Signalkanäle der Auswerteschaltung 40 werden die in der Überlagerungsschwingung enthaltenen Oszillatorfrequenzen sodann separiert und nach Amplitudenbegrenzung Jeweils in digitale Zählwerte verwandelt. Jeder momentane Zählwert entspricht der Momentanfrequenz der Schwingung eines der Ringoszillatoren, wobei die Momentanfrequenzen der einzelnen Oszillatoren wiederum von den Momentanwerten der Meßwiderstände 21, 25 und damit von den einzelnen, mit den Meßwiderständen erfaßten physikalischen Größen abhängen.
Die durch die Zähler 44 digitalisierten Frequenzwerte werden sodann vom Mikroprozessor 46 in Einheiten der jeweils zugeordneten physikalischen Größen umgerechnet und an die Anzeigeeinheit 48 ausgegeben. Wenn es sich bei einer der erfaßten Größen um die Temperatur handelt, kann deren Meßwert im Mikroprozessor 46 auch dazu verwendet werden, einen störenden Einfluß der Temperatur auf eine oder mehrere der anderen erfaßten Meßgrößen zu eliminieren.
Es versteht sich, daß die aus Gründen der einfachen Darstellung zur Erfassung nur zweier physikalischer Größen ausgelegte Anordnung nach den Figuren 1 und 3 durch zusätzliche Integration weiterer gleichartiger Ringoszillatoren und Meßwiderstände in das Halbleiterchip sowie durch entsprechende Ergänzung der Auswerteschaltung um weitere Signalkanäle in einfacher Weise auch so erweitert werden kann, daß gleichzeitig mehr als zwei Zustandsgrößen überwacht werden können.
Die Arbeitswerte der Injektorströme können nicht nur über die genannten Vorwiderstände 11, 12, sondern auch durch die jeweilige Anzahl n der Schaltungsstufen der Ringoszillatoren festgelegt werden.
Auch können die verschiedenen Meßsignalfrequenzen mit Hilfe eines einzigen, vom Mikroprozessor nacheinander auf diese Frequenzen abgestimmten Filters separiert werden, wodurch der Schaltungsaufwand im Falle einer größeren Zahl von zu erfassenden Meßgrößen erheblich verringert wurde.
Energieversorgung und Informationsübertragung müssen nicht unbedingt nach dem beschriebenen Zweidrahtprinzip erfolgen.
Die einzelnen Oszillatoren könnten auch über jeweils getrennte Leitungen mit der Gleichstromquelle und der Signalverarbeitungsschaltung verbunden und dann jeweils bei derselben Frequenz betrieben werden. In diesem Fall müßte das Chip 15 mit einer entsprechenden Zahl von separaten Ein-und Ausgängen versehen werden und die Signalverarbeitungsschaltung müßte zur gleichzeitigen Auswertung der auf den einzelnen Zuleitungen anstehenden Information ausgelegt sein.
Im folgenden wird nun eine mögliche Ausführungsform einer mit dem erfindungsgemäßen Vielfachsensor ausgestatteten Meßkopfes unter Bezugnahme auf die Figuren 5a und 5b beschrieben Die dargestellte Ausführungsform ist insbesondere auf einen Vielfachsensor gemäß Fig. 2 zugeschnitten, bei dem einer der Einzelsensoren als Druckaufnehmer ausgebildet ist.
Der Meßkopf 1 weist ein geeignet geformtes und dimensioniertes Gehäuse 3 mit zwei Druckanschlüssen 2 an gegenüberliegenden Seiten auf. Das Gehäuse kann z.B. Zylindergeometrie besitzen. Innerhalb des Gehäuses 3 ist ein Zwischenboden in Form einer Metallplatte 8 vorgesehen, die den Innenraum in zwei Bereiche unterteilt und die auf ihrer einen Seite eine Keramikplatte 9 trägt. Auf dieser wiederum ist eine Substratplatte 14 gelagert, welche als Unterlage für das Sensorchip 1 dient. Dieses ist mit seiner druckempfindlichen Membran über miteinander fluchtenden, in der Substratplatte 14, der Keramikplatte 9 und dem Zwischenboden 8 angebrachten Öffnungen angeordnet. Eine pneumatische Verbindung zwischen den beiden durch den Zwischenboden getrennten und jeweils mit einem der Druckanschlüsse 2 versehenen Gehäusebereichen besteht im allgemeinen nicht, kann aber im Bedarfsfall zur Erzielung einer Bypass-Wirkung vorgesehen werden. Ein Druckunterschied in den beiden Gehäusebereichen kann sich somit auf die embran auswirken und damit den Wert des in diese eindiffundierten Widerstands beeinflussen.
Den Figuren 5a, b ist auch die Anordnung der bereits erwähnten externen Schaltelemente 11, 12 (Vorwiderstände) und 13 (Entkopplungskondensator) relativ zum Sensorchip 15 zu entnehmen. Die Widerstände 11,12 sind jeweils durch eine Dickfilmschicht zwischen Metallkontakten 10 auf der Keramikplatte 9 realisiert; der Kondensator 13 besteht aus einem diskreten Bauelement, das an geeignete Kontaktbahnen 10 auf der Keramikplatte 9 angeschlossen ist.
Schließlich sind in der Keramikplatte 9 Anschlußstifte 6 und 7 für die durch ein vergossenes Steckerteil 4 druckdicht in das Innere des Gehäuses 3 geführten Leitungen 30 und 31 vorgesehen.
Die Verbindungsleitungen zwischen dem Sensorchip 15 einerseits und den externen Schaltelementen 11,12,13 sind in Form von Drähten 5 dargestellt.
Selbstverständlich muß dafür gesorgt werden, daß auch die übrigen mit dem Sensor zu erfassenden Zustandsgrößen äuf das Halbleiterchip einwirken können. Sofern einer der Einzelsensoren als frequenzanaloger Photowandler ausgebildet ist, könnte dem zu messenden Licht durch eine Öffnung im Gehäuse, die evtl. mit einer Optik versehen ist, oder über Lichtleitkabel der Zutritt zum Sensor ermöglicht werden. Zur Messung auch der Temperatur des Mediums, dessen Druck mit dem Meßkopf nach Fig. 5 a, b überwacht wird, mittels eines im Halbleiterchip vorgesehenen Temperatursensors, bedarf es keiner zusätzlichen Vorkehrungen, da bei dieser Anordnung ein Wärmeaustausch mit dem Sensorchip 15 bereits gewährleistet ist.
Leerseite

Claims

Frequenzanaloger Vielfachsensor zur gleichzeitigen Messung mehrerer physikalischer Größen 1. Frequenzanaloger Vielfachsensor zur gleichzeitigen ErfassUng mehrerer physikalischer Größen an einer Meßstelle, dadurch gekennzeichnet , daß a) in einem Halbleiterchip (15) eine der Anzahl der zu erfassenden Größen entsprechende Zahl von frequenzanalogen Einzelsensoren monolithisch integriert ist, und b) jeder Einzelsensor umfaßt: 1. einen in 1 2L-Technik ausgeführten Ringoszillator (23, 24), 2. einen seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Jeweiligen zu erfassenden Größe ändernden und den Injektorstrom des zugehörigen Ringoszillators (23, 24) steuernden Meßwiderstand (21, 25).
2. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßwiderstände (21, 25) als temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet ist.
3. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterchip (15j zur Bildung eines temperaturabhängigen Meßwiderstands (21, 25) in einem bestimmten Bereich mit einem eine n- oder p-Leitung bewirkenden Fremdstoff einer Konzentration von.1015 -- 1oil6 cm~3 dotiert ist.
4. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßwiderstände (21, 25) als Photowiderstand ausgebildet ist.
5. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterchip (15) zur Bildung eines lichtempfindlichen Meßwiderstands (21) in einem bestimmten Bereich unmittelbar unter der Oberfläche mit einem eine n- oder p-Leitung bewirkenden Fremdstoff einer Konzentration von 1014 - 1015 cm 3 dotiert ist und die Oberfläche in diesem Bereich unpassiviert ist.
6. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein integraler Teil des Halbleiterchips (15) als druckempfindliche Membran ausgebildet ist und daß einer der Meßwiderstände (21, 25)von einer Schicht eines in zumindest einen Teilbereich der Membran (17) eingebrachten n- oder p-leitenden Dotierungsfremdstoffes gebildet ist.
7. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein integraler Teil des Halbleiterchips (15) von einem unter Krafteinwirkung erformbaren Biegebalken gebildet ist und daß einer der Meßwiderstände (21, 25) aus einer Schicht eines in den Biegebalken eingebrachten n- oder p-leitenden Dotierungsfremdstoffes besteht.
8. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Ringoszillator (23, 24) eine ungerade Anzahl parallelgeschalteter Stufen aus Jeweils einem lateralen pnp-Transistor (T1m) und einem vertikalen npn-Transistor (T2m) umfaßt, wobei die Emitter der pnp-Transistoren (Tim) miteinander verbunden sind, die Basen der pnp-Transistoren (T1m) und die Emitter der npn-Transistoren (T2m) Jeweils an eine interne Masse (27) des Halbleiterchips (15) gelegt sind, die Kollektoren der beiden Transistoren Jeder Stufe jeweils miteinander und mit der Basis des npn-Transistors der nächstfolgenden Stufe verbunden sind, und ein weiterer Kollektor des npn-Transistors (T2n) der letzten Stufe über eine Leitung (29) auf die Basis des npn-Transistors (T21) der ersten Stufe rückgekoppelt ist.
9. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Ringoszillator (23, 24) eine Ausgangsstufe nachgeschaltet ist, die jeweils einen lateralen pnp-Transistor (Ta) enthält, dessen Emitter mit den Emittern der Lateraltransistoren (T1m) des zugehörigen Ringoszillators und dessen Basis mit der internen Masse (27) des Halbleiterchips (15) verbunden ist, sowie einen vertikalen npn-Transistor (Tb), dessen Basis mit dem Kollektor des npn-Transistors (T2n) der letzten Stufe des zugehörigen Ringoszillators, dessen Emitter mit der internen Chipmasse (27) und dessen Kollektor mit dem Kollektor des Lateraltransistors (Ta) der betreffenden Ausgangsstufe verbunden ist.
10. Frequenzanaloger-Vielfachsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterchip (15) eine der Anzahl der Meßwiderstände (21, 25) entsprechende Zahl von Ausgangsanschlüssen (152, 155) aufweist, und daß Jeder Meßwiderstand (21, 25) jeweils zwischen einen dieser Ausgangsanschlüsse (152, 155) und die Emitter der Lateraltransistoren (T1m) ) des zugehörigen Ringoszillators (23, 24) geschaltet ist.
11. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Kollektoren der Transistoren (Ta, Tb) aller Ausgangsstufen mit einem gemeinsamen weiteren Ausgangsanschluß (153) des Halbleiterchips (15) verbunden sind, und daß das Halbleiterchip darüberhinaus einen mit der internen Chipmasse (27) verbundenen Ausgangsanschluß (154) besitzt.
12. Frequenzanaloger Vielfachsensor nach einem der Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl n der Stufen eines jeden Ringoszillators (23,24) jeweils in Abhängigkeit von dem gewünschten Arbeitswert des Injektorstroms des betreffenden Oszillators gewählt ist.
13. Verfahren zur Herstellung des frequenzanalogen Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterchip (15) mehrere Ringoszillatorstrukturen (23, 24) in I2L-Technik durch an sich bekannte Photoresist=, Dotierungs-und Passivierungsschritte erzeugt werden und daß jeweils ein von einer der zu erfassenden physikalischen Größen beeinflußbarer Meßwiderstand (21, 25) in der Injektorstromzuleitung eines jeden Ringoszillators (23, 24) zugleich mit einem der Dotierungsschritte zur Herstellung der Ringoszillatoren (23, 24) in das Halbleiterchip (15) mit eindotiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterchip (15) im Bereich eines der eindotierten Meßwiderstände (21, 25) zur Erzeugung einer sich unter Druckeinwirkung verformenden Membran (17) dUnngeätzt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterchip (15) im Bereich eines der eindotierten Meßwiderstände (21, 25) derart geätzt wird, daß ein den Meßwiderstand tragender, durch Krafteinwirkung verformbarer Biegebalken entsteht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der Meßwiderstände (21, 25) durch Diffusion oder Ionenimplantation erfolgt.
17. Verfahren zum Betrieb eines frequenzanalogen Vielfachsensors nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekenpzeichnet, daß a) die Injektorströme der Ringoszillatoren (23, 24) der Einzelsensoren unterschiedlich gewählt werden, b) die sich ergebenden unterschiedlichen Frequenzen der Ausgangssignale der einzelnen Ringoszillatoren (23, 24) in Digitalwerte gewandelt werden, c) die Digitalwerte nach Umsetzung in Einheiten der Jeweils zugeordneten physikalischen Größen zur Anzeige gebracht werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale vor der TJmsetzung in Digitalwerte miteinander überlagert und sodann durch Filterung wieder separiert werden.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale miteinander und mit der Versorgungsspannung des Halbleiterchips (15) überlagert werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale gemäß einer NOR-Bedingung überlagert werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17-20, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Ausgangssignale zur Elimination des Einflusses der diesem Ausgangssignal zugeordneten physikalischen Größe auf eines oder mehrere der übrigen Ausgangssignale verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektorströme den einzelnen Ringoszillatoren über einstellbare, an das Halbleiterchip angeschlossene Vorwiderstände zugeführt werden.