DE2934093C2 - Frequenzanaloger Sensor - Google Patents

Frequenzanaloger Sensor

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DE2934093C2 DE2934093A DE2934093A DE2934093C2 DE 2934093 C2 DE2934093 C2 DE 2934093C2 DE 2934093 A DE2934093 A DE 2934093A DE 2934093 A DE2934093 A DE 2934093A DE 2934093 C2 DE2934093 C2 DE 2934093C2
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen einfach herstellbaren nichtselektiven faseroptischen Multiplexer, bei dem jedem Eingangslichtwellenleiter eines (Lichtwellenleiter-)Bündels ein Kollimationselement zugeordnet ist. Dadurch ist die Anzahl der Eingangslichtwellenleiter (Kanäle) nahezu beliebig wählbar. Bei dem Multiplexer kann die Lichtrichtung umgekehrt werden, so daß ein vielfacher Verteilkoppler entsteht.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß
15
c) der Oszillatorkreis
el) als Ringoszillator (24) aufgebaut und c2) in I 2L-Technik ausgeführt und zusa.Timen nut dem Meßwiderstand monolithisch auf einem Haltlciterchip (S5) integriert ist und daß weiter
d) der Meßwiderstand
dl) entsprechend der abzutastenden Größe dotiert und
d2) zur Beeinflussung des Injektorstromes (Emitterstromes) und damit der Umlauffrequenz des Ringoszillators (24) in Reihe mit diesem geschaltet ist.
30
2. Freqi Tizanaloger Sensor nach Anspruch I zur Erfassung der Temperatur, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (21; auf dem Haltleiterchip (IS) in einem bestimmten Bereich mit einem eine n- oder p-Leitung bewirkenden ['remdstoff einer Konzentration von 10l5bis 1016 cm-3 dotiert ist.
3. Frequenzanaloger Sensor nach Anspruch 1 zur Erfassung der Lichtintensität, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (21) in einem bestimmten Bereich unmittelbar unter der Oberfläche des Halbleiterchips (i5) mit einem eine n- oder p-Leitung bewirkenden Fremdstoff einer Konzentration von 10M bis 1015 cm-3 dotiert ist und die Oberfläche in diesem Bereich unpassiviert ist
4. Frequenzanaloger Sensor nach Anspruch 1 zur Erfassung einer Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß ein integraler Teil des Halbleiterchips (15) als druckempfindliche Membran ausgebildet ist und daß der Meßwiderstand (21) von einer Schicht eines in zumindest einem Teilbereich der Membran (17) einge- so brachten n- oder p-leitenden Dotierungsfremdstoffes gebildet ist.
5. Frequenzanaloger Sensor nach Anspruch 1 zur Erfassung des Druckes, dadurch gekennzeichnet, daß ein integraler Teil des Halbleiterchips (15) von einem unter Krafteinwirkung verformbaren Biegebalken gebildet ist, und daß der Meßwiderstand aus einer Schicht eines in dem Biegebalken eingebrachten n- oder p-leitenden Dotierungsfremdstoffes besteht.
6. Frequenzanaloger Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringoszillator (24) eine ungerade Anzahl η parallel geschalteter Stufen aus jeweils einem lateralen pnp-Transistor (T\m) und einem vertikalen npn- Transistor ^Tj1n) umfaßt, wobei die Emitter der pnp-Transistoren (T\m) miteinander verbunden sind, die Basen der pnp-Transisioren (T\m) und die Emitter der npn-Transistoren (T21n) jeweils an eine interne Masse (402) 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 auf die Basis des npn-Transistors (T2]) der ersten Stufe über eine Leitung (29) rückgekoppelt ist
7. Frequenzcnaloger Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (21) einerseits an die Emitter der lateralen pnp-Transistoren (Tin,) und andererseits an einen ersten Ausgangsanschluß (152; des Halbleiterchips (15) angeschlossen ist, daß der vom Kollektor des npn-Transistors (T2n) der letzten Stufe gebildete Oszillatorausgang (26) mit einem zweiten Ausgangsanschluß (153) und daß die interne Chipmasse (402) mit einem dritten Ausgangsansch'iuß (154) verbunden ist.
8. Frequenzanaloger Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet daß der Meßwiderstand (21) einerseits an die interne Chipmasse (402) und andererseits an einen ersten Ausgangsanschluß (152) des Halbleiterchips (15) angeschlossen ist, daß der vom Kollektor des npn-Transistors (T2n) der letzten Stufe gebildete Oszillatorausgang (26) mit einem zweiten Ausgangsansckkiß (153) und daß die Emitter der lateralen pnp-Transistoren (Tin,) mit einem dritten Ausgangsanschluß (154) verbunden sind.
9. Frequenzanaloger Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Oszillatorausgang (26) und dem zweiten Ausgangsanschluß (153) eine ebenfalls in das Halbleiterchip (15) integrierte Ausgangsstufe (27) geschaltet ist, die einen lateralen pnp-Transistor (Ta) besitzt dessen Emitter mit den Emittern der lateralen pnp-Transistoren (Tim) des Ringoszillators (24) und dessen Basis mit der internen Chipmasse (402) verbunden ist, sowie einen vertikalen npn-Transistor (Tb). dessen Basis an den Oszillatorausgang (26), dessen Emitter an die Chipmassc (402) und dessen Kollektor an den Kollektor des lateralen pnp-Transistors (Ta) der Ausgangsstufe (27) sowie an den zweiten Ausgangsanschluß (153) angeschlossen ist.
10. Meßanordnung mit einem frequenzanalogen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektorstrom dem Ringoszillator über einen an das Halbleiterchip angeschlossenen einstellbaren Vorwiderstand (11) geführt ist
Die Erfindung bezieht sich auf einen frequenzanalogen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, wie Druck, Temperatur, Kraft, Lichtintensität oder dgl.
Durch den Interkama-Bericht von Th. Gast aus dem Jahre 1971 ist beispielsweise ein Sensor zur Erfassung der Temperatur bekanntgeworden, bei dem die zu messende Größe, dort die Temperatur, in eine Frequenz umgewandelt wird, die dann vom Ort der Messung zum Anzeigeort übertragen und dort ausgewertet wird.
Bei diesem bekannten frequenzanalogen Sensor liegen die wesentlichen Bestandteile der Schallungsanordnung, nämlich der meßgrößenabhängige Widerstand und der Oszillalorschaltkrcis. als getrennte elektronische Baugruppen vor, die miteinander verschaltet werden müssen. Die Nachteile dieses Konzepts bestehen in
der aufwendigen und damit teueren Fertigung, in der Anfälligkeit gegen mechanische und elektrische Störungen sowie in der Unvermeidbarkeit von Streuimpedanzen.
Das in der elektronischen Schaltungstechnik übliche Bestreben, die vorgenannten Nachteile durch monolithische Integration einzelner Schaltkreise zu beseitigen, hat in der Sensortechnik seinen Niederschlag in einem praktisch, allerdings nicht realisierten Entwurf für einen Drucksensor gefunden, der aus einem Fühlerelement in Form einer in eine Membran diffundierten Widerstandsbrücke und einer mit der Widerstandsbrücke monolithisch integrierten Differenzverstärkerschaltung besteht und dessen analoges Ausgangssignal erst durch eine aufwendige Analog-Digital-Wandlung in eine auf digitalem Wege weiter verarbeitbare und anzeigbare Größe überführt werden muß, (SAE Automobil Engineering Meeting Detroit, Mich. V. St A. 14.—18. Mai 1973, Vortragsabdruck »Semiconductor Sensors for Automotive Instrumentation« von K- N. Sundaram).
Eine entsprechende Schaltung unter Verwendung einer aus Piezowiderständen aufgebauten diffundierten Widerstandsbrücke ist auch von Zias und William in Electronics, Dezember 1974, Seiten 83 bis 88 beschrieben.
Auch dort muß das analoge Ausgangssignal erst durch eine aufwendige Analog-Digital-Wandlung in eine auf digitalem Wege weiterverarbeitbare und anzeigbare Größe übergeführt werden, und zwar außerhalb des den Drucksensor tragenden Chips, was bedeutet, daß die Analoggröße über einen eigenen Anschluß von dem Chip abgenommen werden muß. Auch die DE-AS 23 03 706 zeigt einen derartigen mechanisch-elektrisch Wandler, bei welchem der Meßumformer in Form einer Brückenschaltung zusammen mit einem Verstärker auf einem aus dielektrischem Material bestehenden Basiskörper aufgebracht ist
Für einen frequenzanalogen Sensor konnten bisher die Vorteile der modernen monolithischen Integrationstechnik noch nicht zum Tragen kommen, weil es bisher an einem Schaltungskonzept für derartige Sensoren fehlte, welches den technologischen Erfordernissen einer monolithischen Integration angepaßt ist. Übliche ÄC-Oszillatoren eignen sich hierfür nicht, da die Realisierung von Kapazitäten bei einer monolithischen Integration Schwierigkeiten bereitet
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen frequenzanalogen Sensor der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art so auszubilden, daß er gegen mechanische und elektrische Störungen unanfällig ist, mit geringem Aufwand in großer Stückzahl in einer kompakten Bauform hergestellt und auf einfache Weise den Erfordernissen unterschiedlicher Meßprobleme angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ausgestaltung eines frequenzanalogen Sensors mit Maßnahmen der im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Art gelöst.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Herstellung eines Fühlerelementes in Form eines von der zu überwachenden physikalischen Größe abhängigen Widerständen in überraschend einfacher Weise in den an sich bekannten Herstellungsprozeß für einen Ringoszillator in I ?L-Tcchnik einbeziehen läßt und daß die Steuerung des Injekior.stromcs derartiger Oszillatoren durch den meßgrößenabhängigen Widerstand eine elegante Möglichkeit zur Steuerung der Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators proportional zur Meßgröße bietet
Auf diese Weise lassen sich alle Sensorarsen, die auf dem Prinzip eines durch eine Meßgröße beeinflußbaren Widerstandes basieren, also z. B. Druck. Kraft, Temperatur oder Fotosensoren einfach realisieren. Insbesondere eignet sich dieses Prinzip besonders gut für Druckoder Kraftaufnehmer, weil sich auch die Herstellung einer in diesem Zusammenhang erforderlichen druckempfindlichen Membran bzw. eines unter Kraftein wirkung verformbaren Biegebalkens durch einen einfachen Ätzschritt in den Gesamtherstellun.gsablauf integrieren läßt
Dabei wird in jedem Fall von dem in 12L-Technik aufgebauten Ringoszillator, dessen Umlauffrequenz durch die Meßgröße beeinflußt wird, eine definierte Folge von Impulsen abgegeben, deren Folgefrequenz von der Meßgröße abhängig ist und deren Folgefrequenz unmittelbar zur Anzeige der Meßgröße ausgewertet werden kann, wobei der Meßwert einfach selbst über größere Strecken in Zweidraht-Technik übertragen werden kann. Vorteilhafte Weiter^idungen eines so aufgebauten Sensors sind Gegenstand wer Unteransprüche.
Weitere Einzelheiten werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen den erfindungsgemäßen Sensor enthaltenden Meßkopf als Schaltungsblock zusammen mit der Auswerteelektronik und der Spannungsversorgung,
F i g. 2 ein erstes Schaltbeispiel für den erfindungsgemäßen Sensor,
F i g. 3 ein zweites Schaltbeispiel, für den erfindungsgemäßen Sensor,
F i g. 4 einen Schnitt durch ein Siliziumchip, in das ein als Druckaufnehmer konzipierter erfindungsgemäßer Sensor integriert ist,
F i g. 5a und b zwei Schnitte durch eine mögliche AusfUhrungsform eines Meßkopfes für den Sensor nach Fig. 4.
Gemäß F i g. 1 ist ein erster Anschluß eines den erfindunfsgemäßen Sensor enthaltenden Meßkopfes 1 über eine Leitung 30 und einen Widerstand 32 an den einen Pol einer Gleichspannungsquelle 33 mit der Spannung Ub angeschlossen. Der andere Pol der Gieichspannungsquelle ist auf eine Referenzpotentialklemme 401, beispielsweise Masse, gelegt. Ein zweiter Anschluß des Sensors 1 ist über eine weitere Leitung 31 ebenfalls mit dem Referenzpotential verbunden.
Im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 sind die Spannungsversorgung und die nachfolgend noch beschriebene Auswerxeelektronik 40 entfernt von der Meßstelle, an der sich der Meßkoplf t befindet, angeord net, wie dies stets vorteilhaft ist, wenn eine Messung an einer schwer zugänglichen Stelle durchgeführt werden soll oder wenn z. B mehrere Sensoren vor einer Zentralstation aus versorgt und abgefragt werden sollen. Für bestimmte Meßprobleme kann aber puch eine Zusammenfassung von Sensor, Spannungsversorgung und Auswerteelektronu in einem Gerät zweckmäßig sein.
Die Leitungen 30,3 ί dienen nicht nur der Energieversorgung des Sensors, sondern auch der Übertragung des Meßsignals vom Sensor zur bereits ei ν ahnten Auswerteelektronik 40, die zu diesem Zweck parallel zur Spannungsquelle 33 und dem Widerstand 32 an die Lei-
b5 tungen 30, 31 angeschlossen ist. Dabei ist die Verbindung der Auswcrteclektroniic 40 mit der Leitung 31 nur symbolisch durch den Massekontakt 401 angedeutet. Ein Eingangskondensator 41 in der Leitung 30 sorgt für
die Entkopplung der Speisespannung von dem auf den Leitungen 30 und 31 anstehenden Wechselspannungs-Ausgangssignal des Meßkopfes 1.
Dem Kondensator 41 ist ein Bandfilter 42 nachgeschaltet, dessen Mittenfrequenz fund dessen Durchlaßband entsprechend dem Arbeitspunkt und möglichen Variationsbereich der Frequenz des Sensorausgangssignals gewählt sind. Anschließend folgt ein Begrenzer-Verstärker 43 sowie ein Zähler 44. Letzterer wandelt die momentane Sensorfrequenz in ein π-Bit-Datenwort. Die Einzähleinheit wird über eine Start/Stop- Leitung 45 von einem Mikroprozessor 46 gesteuert, der über eine n-Bit-Datenleitung 47 an den Ausgang des Zählers 44 angeschlossen ist. Der Mikroprozessor 46 rechnet den jeweiligen Zählerstand in Einheiten der überwachten physikalischen Größe um und kann nötigenfalls auch weitere mathematische Operationen, z. B. zur Korrektur, zur Linearisierung oder zur Gradientenbildung durchführen. Auch kann die Überschreitung vorgegebener Toleranzbereiche durch die physikalische Größe mit dem Mikroprozessor festgestellt werden.
Die ermittelten Werte werden einer digitalen Anzeigeeinrichtung 48 zugeführt, welche die notwendigen Dekodier- und Segmenttreiberstufen umfaßt.
Ein erstes Beispiel für den schaltungsmäßigen Aufbau des im Meßkopf 1 enthaltenen Sensors ist in F i g. 2 im Detail dargestellt. In einem durch die strichpunktierte Umrandung 151 markierten Siliziumchip 15 sind ein Ringoszillator 24 samt Ausgangsstufe 27 und ein Fühlerelement in Form eines durch die zu erfassende physikalische Größe veränderbaren Widerstands 21 monolithisch integriert.
Der Ringoszillator ist in I ^-Technologie ausgeführt. Er umfaßt eine ungerade Anzahl η von für diese Technologie charakteristischen Schaltungsstufcn aus jeweils einem lateralen pnp-Transistor T\m und einem vertikalen pnp-Transistor Tin, mit 1 s m <, n. Bezüglich der Grundlagen der 12L-Technik wird verwiesen auf I. Rüge »Halbleitertechnologie«, Springer Verlag Berlin 1975, Seiten 319-323.
Die Kollektoren der beiden Transistoren T\m und T2n, einer jeden Schaltungsstufe des Ringoszillators 24 sind miteinander sowie mit der Basis des npn-Transistors Tyn, + ο der jeweils nächstfolgenden Schaltungsstufe verbunden. Außerdem sind sowohl die Emitter der pnp-Transistoren T\m als auch die Emitter der npn-Transistoren T2n, der einzelnen Schaltungsstufen jeweils zusammengeschlossen. Die Emitter der letztgenannten Transistoren T2n, liegen dabei ebenso wie die Basen der pnp-Transistoren T<m auf der virtuellen internen Chipmasse 402. Schließlich ist eine Rückkopplungsleitung 29 vorgesehen, die die Basis des npn-Transistors Tn der ersten Schaltungsstufe mit einem weiteren Kollektor des npn-Transistors T2n der letzten Schaltungsstufe verbindet.
Die erwähnte Ausgangsstufe 27 besteht aus einem weiteren pnp-Transistor Ta und einem weiteren npn-Transistor Tb. Der Emitter des Transistors Ta ist mit den Emittern der Transistoren T\m zusammengeschaltet, während seine Basis an Masse 402 liegt und sein Kollektor mit dem Kollektor des Transistors Tb verbunden ist. Der Emitter letzteren Transistors liegt auf Masse 402; seine Basis ist mit dem vom Kollektor des Transistors T2n gebildeten Ausgang 26 des Ringoszillators 24 verbunden.
Mit den Emittern der pnp-Transistoren T\m sowie Ta ist ferner der eine Anschluß des in das Siliziumchip 15 eindotierten Widerstands 21 verbunden, dessen anderer Anschluß an einer Ausgangsklemme 152 des Siliziumchips liegt, welche wiederum an die Leitung 30 und damit an den Widerstand 32 und die Auswertcclektronik 40 angeschlossen ist. Der Widerstand 21 ist in noch zu beschreibender Weise dem jeweiligen Meßproblcm an-
·> gepaßt und steuert den Injektorstrom und damit die Schwingfrequenz des Ringoszillators 24. Zur Voreinstellung des Arbeitspunktes des Oszillators 24 können zusätzliche äußere Schaltelemente wie der im Bedarfsfall variabel ausgebildete Vorwiderstand II. der den Geberwiderstand 21 mit der Leitung 30 verbindet, vorgesehen werden. Die Arbeitspunkteinstellung kann zusätzlich oder ausschließlich auch über die Anzahl η der Schaltungsstufen des Ringoszillators festgelegt werden. Das am Kollektor des Transistors Tb der Ausgangs stufe 27 abgegriffene Oszillatorsignal in Form einer Rechtcckschwingung Us wird über einen an einen Anschluß 153 des Si-Chips 15 angeschlossenen externen
■ Kondensator 13 auf die Leitung 30 gegeben und dort dem Glcichspannungspegei U„ au! der Leitung 30 in der aus dem Diagramm rechts oben in Fi g. 2 ersichtlichen Weise überlagert. Die Gleichspannung U0 ergibt sich aus der Subtraktion des Spannungsabfalls über dem Widerstand 32 von der Spannung (Jeder Spannungsquelle 33. Das Siliziumchip 15 besitzt außerdem einen An- Schluß 154, über den die virtuelle Chipmassc 402 mit der Leitung 31 und damit auch mit der externen Masse 401 in Verbindung steht.
Es versteht sich, daß statt der dargestellten Zweidraht-Technik, bei der zur Energiezufuhr und Informa- tionsübertragung nur zwei Leitungen gebraucht werden, auch eine Vicrleiter-Technik zur Anwendung kommen kann, bei der die Information der Auswerteelektronik 40 über von den Leitungen 30, 31 unabhängige, an die Klemmen 153 und 154 angeschlossene Leitungen zugeführt wird.
Eine Variante der Sensorschaltung nach F i g. 2, wel- CIlC CUCIIIaila CHIC OICUCI UUg uca IlljcrvlwiaiiGina ^CS
Ringoszillators durch den Meßwiderstand gestattet, ist in F i g. 3 gezeigt.
*o Der Ringoszillator 24 und die Ausgangsstufe 27 weisen den gleichen Aufbau auf wie zuvor beschrieben. Auch ist der Kollektor des Transistors Tb weiterhin mil dem Ausgangsanschluß 153 und die eine Klemme des Meßwiderstands 21 mit dem Ausgangsanschluß 152 ver bunden. Die andere Klemme des Meßwiderstandes liegi jetzt jedoch an der internen virtuellen Chipmasse 402 die in diesem Fall von der externen Masse 401 isoliert ist. Weiter ist im Unterschied zur Anordnung nach F i g. 2 der Ausgangsanschluß 154 des Halbleiterchips Ii
so an die Emitter der lateralen pnp-Transistoren 7Im unc Ta angeschlossen. Die Verbindung der Chipanschlüsse 152,153 und 154 mit den Leitungen 30 und 31 entsprich wiederum derjenigen nach F i g. 2. Die Spannungsquellt 33 muß im Falle der Anordnung nach F i g. 3 allerding!
entgegengesetzt gepolt werden.
Die einzelnen technologischen Schritte zur Herste! lung der integrierten Schaltung 15 nach F i g. 2 werdet im folgenden unter Bezugnahme auf Fig.4 beschrie ben, welche ein speziell für die Druckmessung ausgebil detes Siliziumchip 15 mit druckempfindlicher Membrai 17 im Querschnitt zeigt Die Beschreibung beschränk sich auf die Herstellung eines einzigen integrierten Sen sorbausteins. Es versteht sich jedoch, daß in der Praxi gleichzeitig eine Vielzahl von Sensoren innerhalb eine handelsüblichen Halbleiterscheibe verwirklicht werdet können.
Als Ausgangsmaterial dient beispielsweise eine SiIi ziumscheibe 16. die zunächst mit einer η-leitenden epi
taktischen Schicht 18 versehen wird. Die Epischicht 18 wird anschließend mit einer schützenden .Siliziumdioxidschicht 20 überzogen. Sodann werden mittels üblicher Photoresisttechnikender Konfiguration aller Emitter und Kollektoren der pnp-Transistoren sowie aller Basen der npn-Transistoren entsprechende Fenster zusammen mit einem weiteren Fenster für eine Isolationswannt Jes Meßwiderstands 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 des Meßwiderstandes entsprechende Fenster in der Oxidschicht 20 geöffnet und sämtliche η-leitenden KoI-lektorgcbiete und der Meßwiderstand 21 durch eine Phosphordiffusion hergestellt. Anschließend werden die Fenster für die Phosphordiffusion durch Oxidation wieder geschlossen.
Es folgt die beidseitigc Aufbringung einer Nitridschicht, die anschließend mittels Photoresisttcchnik auf der Unterseite der Siliziumscheibe 16 im Bereich des eindiffundierten Widerstands 21 entfernt wird, so daß dort das Silizium 16 bis auf eine dünne Membranschicht 17 durch Atzen 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 geöfinet. 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 ""«vTrsnsistors«, fungieren 'swcüs n-!citen-
ζ. B. Zylindci geometrie besitzen. Innerhalb des Gehäuses 3 ist ein Zwischenboden 8 vorgesehen, der den Innenraum in zwei Bereiche unterteilt und der auf einer Seite eine Keramikplatte 9 trägt. Auf dieser wiederum
s ist eine Substratplatte 14 gelagert, welche als Unterlage für das Siliziumchip 15 dient. Dieses ist mit seiner Membran über miteinander fluchtenden, in der Substratplatte 14, der Keramikplatte 9 und dem Zwischenboden 8 angebrachten öffnungen angeordnet. Eine pneumati sehe Verbindung zwischen den beiden durch den Zwi schenboden 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 Membran auswirken und damit den Wert des in diese eindiffundierten Widerstands 21 beeinflussen.
Den Fig. 5a, b ist auch die Anordnung der bereits
erwähnten externen Schaltelemente 11 (Vorwiderstand) und 13 (Entkopplungskondensator) relativ zum Siliziumchip 15 zu entnehmen. Der Widerstand 11 ist durch eine Dickfilmschicht zwischen Metallkontakten 10 auf der Keramikplatte 9 realisiert; der Kondensator !3 be steht 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
jo druckdicht in das Innere des Gehäuses 3 geführten Leitungen 30 und 31 vorgesehen.
Die Verbindungsleitungen zwischen dem Siliziumchip 15 einerseits und den externen Schaltelementen 11, 12 sind in Form von Drähten 5 dargestellt.
J5 Ein zur Aufnahme eines Kraftsensors dienender Meßkopf 1 müßte mit einem geeigneten Formteil zur
Pinl^itnne £Jn»r im mMMruJin I^ ratI aiif dSP AfW^hp*An
de Bereiche der Epischicht 20, so daß ein spezieller Herstellungsschritt für diese Komponenten entfällt. Die Bor- bzw. Phosphor-diffundierten Bereiche sind in F i g. 4 mit den Bezugszeichen 19 bzw.50 versehen.
Soll statt eines Drucksensors ein Kraftaufnehmer realisiert werden, tritt an die Stelle des Ätzschrittes zur Herstellung der Membran 17 ein ähnlicher Ätzschritt zur Ausbildung eines den Meßwiderstand 21 aufnehmenden Biegebalkens in dem Silizium-Ausgangsmaterial. Im Falle eines Photosensors oder eines Temperatursensors entfällt eine derartige Ätzung völlig. Es bedarf dann lediglich der Ausbildung des Meßwiderstands als Photowiderstand, z. B. mittels flacher Phosphor-diffusion niedriger Dotierungskonzentration (1014— 1015cm-J) ohne weitere Passivierung — bzw. als temperaturabhängiger Widerstand, der ebenfalls durch eine Phosphordiffusion geeigneter Dotierungskonzentration (10ls—1016 cm-J) realisierbar ist
Die Herstellung der Schaltungsvariante nach F i g. 3 unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Vorgehen im wesentlichen dadurch, daß der die Erzeugung der erwähnten Isolationswanne betreffende Schritt entfällt und daß der Meßwiderstand nicht als nsondern als p-leitendes Gebiet während der Bor-Diffusion realisiert wird.
Fig.5a und b zeigen Schnitte durch eine Ausführungsform des Meßkopfes 1, der zur Aufnahme eines als Drückaufnehiner konzipierten Sensors bestimmt äst
Der Meßkopf 1 weist ein geeignet geformtes und dimensioniertes Gehäuse 3 mit zwei Druckanschlüssen 2 an gegenüberliegenden Seiten auf. Das Gehäuse kann Biegebalken des Sensorchips 15 ausgestattet sein. Im Falle der Ausbildung des Sensors als Lichtfühler wäre für eine den Lichtzutritt zu dem in das Chip 15 eindotierten Photowiderstand 21 gestattende öffnung im Gehäuse 3 zu sorgen, die mit einer Glasfaser- oder konventionellen Optik ausgestattet sein könnte. Ist der Sensorbaustein als Temperaturfühler ausgeführt, muß der Meßwiderstand in guten Wärmeleitungskontakt mit dem zu überwachenden Medium gebracht werden.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Frequenzanaloger Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, wie Druck, Temperatur, Kraft, Lichtintensität oder dgl. mit
a) einem Oszillatorkreis sowie
b) einem die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillatorkreises beeinflussenden Fühlerelement in Form eines durch die abzutastende physikalische Größe veränderbaren Meßwiderstandes,
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3583055D1 (de) * 1984-03-26 1991-07-11 Seiko Instr Inc Druckmessgeraet, z.b. ein barometer.

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL28785C (de) * 1930-02-16
DE1031532B (de) * 1953-12-23 1958-06-04 Siemens Ag Anordnung zur Umsetzung mechanischer Groessen in elektrische Groessen in der Fernmeldetechnik, fuer UEberwachungs-schaltungen, Messwertumformer, Messwertverstaerker od. dgl.
DE1168118B (de) * 1960-08-18 1964-04-16 Fairchild Camera Instr Co Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial
DE1190881B (de) * 1964-04-07 1965-04-08 Endress & Hauser Ges Mit Besch Fuellstandanzeigevorrichtung zur Vermeidung der UEberfuellung von Tanks
GB1417801A (en) * 1972-01-31 1975-12-17 Bailey Meter Co Integrated single crystal pressure transducer
JPS53145457A (en) * 1977-05-24 1978-12-18 Toshiba Corp Variable frequency oscillator circuit

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