DE3000364A1 - Drucksensor - Google Patents
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Description
Nissan
- 5 BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
5
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Die Erfindung befaßt sich mit einem Drucksensor mit einer Membran zur Ausnutzung eines Piezowiderstands-Effekts,
und zwar im einzelnen mit einem Drucksensor, der eine Membran mit diffundierten Widerständen aufweist, die
als Abtastelemente dienen und einen auf die Membran ausgeübten Druck unter Verwendung des Piezowiderstands-Effektes
messen.
Bei einem bekannten Halbleiter-Drucksensor ist eine Silikon-Membran vorgesehen, deren eine Oberfläche einen
diffundierten Widerstand trägt, dessen Widerstandswert sich aufgrund eines auf die Membran ausgeübten Druckes
ändert, so daß der aufgebrachte Druck in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden kann.
Ein derartiger Sensor ist verhältnismäßig klein und weist eine ausgezeichnete Empfindlichkeit auf. Die Herstellungstechniken
für integrierte Schaltungen ermöglichen die einfache Herstellung zahlreicher derartiger
Sensoren mit gleichmäßigen Charakteristika. Diese ausgezeichneten Eigenschaften haben dazu geführt, daß der
Sensor in zahlreichen Herstellerbetrieben und Forschungsinstituten zur Praxisreife gebracht wurde. Bei der Herstellung
von Kraftfahrzeugen ist der Sensor beispielsweise verwendbar zur Messung des Ansaugunterdruckes
einer Maschine.
Es besteht jedoch ein Nachteil hinsichtlich der Membran, die aus einem Halbleitermaterial, wie etwa Silikon besteht
und daher leicht brechen kann, wenn eine plötzliehe negative Veränderung des Druckes eintritt, der auf
die Membran ausgeübt wird, indem beispielsweise der Fahrer plötzlich auf das Gaspedal tritt, während der Sen-
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ΓΕΗ MEER - MÜLLER - STEINMEISTER
sor zur Messung des Druckes im Ansaugrohr verwendet wird, oder wenn sich der Auspuffgasdruck bei Verwendung
des Sensors in einem Auspuffgas-Rückleitungssystem aufgrund eines Nachbrenners plötzlich ändert. Weiterhin
neigt die Membran zur Verformung oder Zerstörung durch Alterung. Wenn daher ein Sensor in Verbindung mit der
Steuerung einer Brennkraftmaschine verwendet wird, ist es notwendig, den Bruch einer Membran zu einem möglichst
frühzeitigen Zeitpunkt zu ermitteln und Abhilfe zu schaffen.
Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, einen Halbleiter-Drucksensor
in einer Einrichtung zur Abtastung eines Bruches der Membran in einem frühen Zeitpunkt zu schaffen.
Der Drucksensor soll kompakt ausgebildet sein.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1A zeigt in einer teilweise aufgeschnittenen Draufsicht eine Sensor-Platte
eines erfindungsgemäßen
Drucksensors;
Fig. 1B ist ein Schnitt entlang der Linie
A-A in Fig. 1A; 30
Fig. 2A ist eine teilweise aufgeschnittene
Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2B ist ein Querschnitt entlang der Linie
B-B in Fig. 2A;
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Fig. 3A ist eine teilweise aufgeschnittene
Draufsicht auf eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung;
5
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Fig. 3B . ist ein Schnitt entlang der Linie
C-C in Fig. 3A;
Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine Einheit mit einer Sensor-Platte gemäß
Fig. 1 bis 3;
Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung der Einheit der Fig. 4;
15
Fig. 6 ist eine Querschnittdarstellung der
Einheit auf einer Unterlage mit einem Gehäuse;
Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Schaltung
zur Abtastung eines Bruches einer Membran.
Eine erfindungsgemäße Halbleiter-Sensor-Platte 10 gemäß Fig. 1A und 1B umfaßt eine dünne, kreisförmige Membran
12 und eine dickere, diese umgebende Halterung 14, die hergestellt werden kann durch Ausbildung einer Aussparung
16 auf einer Oberfläche eines quadratischen, plattenförmigen Chips aus Einkristall-Silikon durch Ätzen.
Auf der äußeren oder vorderen Oberfläche der Membran sind diffundierte Widerstände 18a, 18b, 18c und 18d ausgebildet,
die als druckempfindliches Element dienen, und zwar unter Verwendung eines Filmes 19 aus Silikon-Dioxid
(SiO2), der als Maske auf der äußeren Oberfläche der
Membran angebracht wird. Die Widerstände sind unter Bildung eines Quadrates miteinander verbunden. Schraffierte
Flächen bezeichnen diejenigen Bereiche der Widerstände
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18a, 18b, 18c und 18d, die unter dem Film 19 aus Silikon-'
Dioxid liegen. Insoweit wird auf Fig. 2A und 3A Bezug genommen. Bei der vorliegenden Ausführungsform gehört
der Silikon-Chip dem M-Typ an, während die diffundierten Widerstände als P-Störstellenschicht ausgebildet sind.
Wenn andererseits der Silikon-Chip dem P-Typ angehört, sollten die diffundierten Widerstände eine N-Störstellenschicht
sein. Die Längsrichtungen der gegenüberliegenden Widerstände 18b und 18d stimmen mit einer Kristallachse
des Silikon-Chips überein (beispielsweise< 110>), während
die Längsrichtung der beiden anderen, einander gegenüberliegenden Widerstände 18a,18c senkrecht zu der
Kristallachse liegt (z.B.< 100 >). Die diffundierten Widerstände
18a,18b,18c und 18d sind an den Ecken des Quadrates
durch vier Leitstreifen 20a,20b,20c und 2Od elektrisch
miteinander verbunden. Die Leitstreifen bestehen aus Aluminium, das auf den Silikondioxid-Film 10 aufgedampft
ist. Zwei einander gegenüberliegende Leitstreifen 20a,2Od, die sich von den entsprechenden Eckpunkten
erstrecken, verlaufen nach außen parallel zueinander, und ein weiteres Paar einander gegenüberliegender Leitstreifen
20b,20c erstrecken sich von den entsprechenden Eckpunkten parallel zueinander nach außen in die entgegengesetzte
Richtung in Bezug auf die anderen Leitstreifen. Dadurch wird eine Brücke BR gebildet. Wenn eine
konstante Spannung an die Eingänge, beispielsweise die Eingänge 20aa und 20cc angelegt wird, ergibt sich ein
elektrisches Ausgangssignal, das dem Druck entspricht, der auf die Membran aufgebracht wird und die Differenz
der Verformung und damit des Widerstandes zwischen den diffundierten Widerständen wiedergibt. Diese Ausgänge
sind beispielsweise die Ausgänge 20bb und 20dd der Brücke BR. Das Muster, das aus den Leitstreifen 20a,20b,20c und
2Od und den diffundierten Widerständen 18a bis 18d besteht und in Fig. 1A und 1B dargestellt ist, ist lediglich
ein Ausführungsbeispiel.
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Ein Element zur Abtastung eines Bruches der Membran,
das in Fig. 1A und IB mit 22 bezeichnet ist, besteht aus
einer diffundierten, fadenförmigen P-Schicht in dem Silikon-Chip, sofern der Silikon-Chip dem N-Typ angehört.
Im Falle eines P-Chips gehört das Abtast-Element 22 dem N-Typ an. Schraffierte Flächen geben diejenigen
Bereiche des Abtast-Elements wieder, das unter dem Silikondioxid-Film 19 liegt, wie es bei den Widerständen
18a,18b,18c und 18d der Fall ist. Insoweit wird auf Fig. 3A Bezug genommen. Das Abtast-Element 22 kann durch
Diffusionsverfahren gleichzeitig mit der Bildung der
Widerstände 18a bis 18d hergestellt werden. In der Draufsicht verläuft das Abtast-Element 22 zick-zack-
oder meander-förmig zu den Seiten entlang der kreisförmigen
Grenzlinie 26 zwischen der dünnen Membran 12 und der Halterung 14. Diese Grenzlinie 26 ist nicht sichtbar
und daher lediglich gestrichelt angedeutet. Insgesamt verläuft das Abtast-Element um den gesamten Umfang
zwischen den Punkten 24a und 24b. Vier U-förmige Ausbuchtungen 22a,22b,22c,22d liegen in gleichen Abständen
im umfang verteilt radial-innerhalb des kreisförmigen Abtast-Elements 22 und reichen im wesentlichen, jedoch
ohne Berührung, bis zu den entsprechenden diffundierten Widerständen 18a bis 18d. Zwei einander gegenüberliegende,
U-förmige Ausbuchtungen 22a und 22c befinden sich zwischen den Leitstreifen 20a,2Od bzw. 20b und 20c und
liegenden parallel zu diesen. Die beiden End~Punkte 24a
und 24b des Abtast-Elements 42 sind mit Leitklemmen 26a und 26b über Leitstreifen 28a,28b verbunden, die aus
Aluminium bestehen, das auf den Film 19 aufgedampft ist, und die sich in entgegengesetzte Richtungen an dem Rand
des Chips entlang erstrecken. Der Film 19 liegt zwischen dem Abtast-Element 22 und jedem der Leitstreifen 20a
bis 2Od und isoliert das Element 22 elektrisch gegenüber den Leitstreifen in den Bereichen, in denen die Leitstreifen
und das Abtast-Element einander schneiden.
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Wenn der Druck in dem Bereich der Membran, in dem die
Leitstreifen ausgebildet sind, auf dem Vergleichs-unterdrück (Vakuum) gehalten wird, während die andere
oder rückwärtige Oberfläche der Membran dem negativen, zu messenden Druck ausgesetzt wird, ist derjenige
Teil der Membran, der der größten Spannung ausgesetzt wird, der Bereich der Grenzlinie 26 zwischen der Membran
12 und der Halterung 14. Derjenige Bereich, der die zweithöchste Spannung aufnimmt, ist derjenige um die
Mitte der Membran herum. Wenn daher ein Bruch der Membran erfolgt, geschieht dies in einem oder beiden der
genannten Bereiche. Die Form des Abtast-Elements 22 gemäß Fig. 1 folgt diesen Gesichtspunkten. Selbst ein
kleiner Riß in einem der beiden Bereiche der Membran kann unverzüglich durch das Abtast-Element 22 abgetastet
werden.
Fig. 2A und 2B zeigen eine Abwandlung der Ausführungsform der Fig. 1. Insgesamt besteht weitgehend Überein-
Stimmung mit der Ausführungsform der Fig. 1, ausgenommen, daß das Abtast-Element 22 als Film aus einem elektrisch
leitenden Material, wie etwa Aluminium oder Gold ausgebildet ist. Diese Materialien sind auf die Oberfläche
der Membran 12 aufgedampft. Andererseits weist das Abtast-Element
22 sechs ü-förmige Ausbauchungen 22a,22b, 22c,22d,22e,22f auf, die nach innen gerichtet sind. Zwei
Ausbauchungen 22a,22f umgeben die parallelen Leitstreifen 22a,22d. Zwei weitere, ü-förmige Ausbauchungen 22c,
22d ragen von der entgegengesetzten Seite nach innen und umgeben die Leitstreifen 20b,20c. Diese Ausbauchungen
22a,22c,22d und 22f schneiden die diffundierten Widerstände 18a bis 18d an ihren Endbereichen. Die langen Schenkel
der Ausbauchungen und die Querstriche, die diese Schenkel verbinden, verlaufen über die jeweiligen Zweige
der Drucksensor-Brücke. Ein Silikondioxid-Film 19 isoliert die Widerstände 18a bis 18d. Die Ausbauchungen
22a bis 22f können durch das oben erwähnte Aufdampfver-
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fahren gleichzeitig mit Herstellung der Leitstreifen 20a bis 2Od aufgebracht werden.
Fig. 3A und 3B zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich von der Ausführungsform der Fig.
dadurch unterscheidet, daß das Abtast-Element 22 als diffundierte Schicht 220 ausgebildet ist und daß ein
aufgedampfter Film 222 elektrisch mit diesem verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform und in Übereinstimmung
mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform schneiden das Abtast-Element 22 und die Widerstände 18a bis 18d
einander, und zwischen beiden befindet sich ein Silikondioxid-Film 19. Diffundierte Leitstreifen 20a bis 2Od
werden verwendet zur Verbindung der diffundierten Widerstände 18a bis 18d mit einer nicht gezeigten, äußeren
Schaltung. Das Muster des Elements zur Abtastung eines Bruches und das Verfahren zu dessen Herstellung stellen
jedoch ein zu lösendes Problem hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Abtast-Element, anderen Leitstreifen
und dergleichen auf der Halbleiter-Membran und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der Herstellung des Abtast-Elements
dar;
Gemäß Fig. 4 und 5 umfaßt eine Einheit 30, in die eine Sensor-Platte 10 eingebaut ist, eine Grundplatte 32, auf
der die Sensor-Platte 10 befestigt ist, ein Deckel 34 über der Grundplatte und eine Anzahl von Leitstreifen
36, die auf gegenüberliegenden Seiten der Grundplatte befestigt sind. Für die Grundplatte 32 und den Deckel
34 können Materialien verwendet werden, die im wesentlichen denselben linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
haben wie der Silikon-Chip der Sensor-Platte 10, also etwa Mullit, Zirkon, Pylex (Warenzeichen), Glas
oder dergleichen. Die Sensor-Platte 10 und die Grundplatte 32 können mit Hilfe einer eutektischen Gold-Silikon-Legierung
(Au-Si) 37 verbunden werden. Mit 38 ist eine Durchgangsbohrung bezeichnet, die sich in der Mitte
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der (Grundplatte 32 befindet und durch die ein zu messender Fluiddruck zu der Membran der Sensor-Platte 10 gelangt.
Metallisierte Drähte aus W (Wolfram), Mo-Mn (Molybdän-Mangan) oder dergleichen, die mit 40 bezeichnet
sind, erstrecken sich über die Grundplatte 32 und sind elektrisch mit den Leitstreifen 36 verbunden. Diese
Drähte 40 sind mit Gold beschichtet, ausgenommen die nicht außen liegenden Bereiche. Die Metallisierten Drähte
40, die diffundierten Widerstände und die Leitklemmen, die von dem Abtast-Element ausgehen, sind elektrisch
über Golddrähte 42 verbunden. Der Deckel 34 ist mit der Grundplatte mit Hilfe eines Hartlotes 44, wie etwa
niedrig schmelzendem Glas, einer Au-Sn-Legierung oder dergleichen verbunden, nachdem die Sensor-Platte 10 auf
der Grundplatte 32 befestigt ist. Diese Verbindung wird in einer Unterdruckkammer hergestellt, so daß die Oberfläche
der Membran, auf der die diffundierten Widerstan- ·
de 18a bis 18d ausgebildet werden, in einem Unterdruck (Vakuum) gehalten wird. Sodann wird der Innenraum der
Einheit 30 hermetisch versiegelt.
Die auf diese Weise hergestellt Einheit 30 wird auf eine Unterlagen 46, beispielsweise aus Aluminium aufgebracht,
die in Fig. 6 gezeigt ist. Teile von gedruckten Leitern 48 einer Signalverarbeitungsschaltung, die sich auf der
Unterlage 46 befindet, soweit sie nicht durch eine Isolierschicht 50 aus Glas abgedeckt sind, und die Leitstreifen
36 der Einheit 30 werden miteinander mit Hilfe eines Lotes 52 verbunden, so daß die Einheit 30 auf
der Unterlage 46 festgehalten wird. Eine Kappe 54 wird auf der Unterlage 46 mit Hilfe eines Klebstoffes 55
festgelegt und deckt die Einheit 30 ab. Die Kappe 54 ist mit einer Druckleitung 56 verbunden, so daß der zu
messende Fluiddruck in die Durchgangsbohrung 38 der Einheit 30 eintreten kann.
Fig. 7 zeigt eine Bruch-Abtastschaltung in Verbindung
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mit dem Abtast-Element 22 auf der Membran. Bei der gezeigten
Ausführungsform der Schaltung bilden das Abtast-Element und drei weitere Widerstände R1,R2 und R3 eine
Widerstandsbrücke 58, mit deren Eingang eine vorgegebene Spannung Vbb verbunden wird. Der Ausgang der Widerstandsbrücke 58 ist mit einem Komparator 60 verbunden, dessen
Ausgang über einen Widerstand 62 mit der Basis eines Leistungs-Transistors 64 in Verbindung steht. Der Ausgang
des Transistors 64 steht mit der Spannungsquelle Vbb über einen Widerstand 66 und eine licht-emittierende
Diode 68 als Anzeigeelement in Verbindung. Wenn diese Schaltung so eingestellt wird, daß der Ausgang der Widerstands-Brückenschaltung
58 unter normalen Bedingungen auf Null liegt, ergibt sich ein Ausgangssignal der Brükkenschaltung
aufgrund eines Bruches des Abtast-Elements 22, und zwar mit sehr hoher Empfindlichkeit. Dies bewirkt,
daß der Transistor 64 eingeschaltet und die Diode 68 erleuchtet wird. Wenn daher die licht-emittierende
Diode 68 in der Nähe des Fahrersitzes vorgesehen wird, kann der Fahrer auf einen Bruch der Membran aufmerksam
gemacht werden und entsprechend reagieren.
Neben dieser Warnanzeige kann die Bruch-Abtastschaltung derart verwendet werden, daß der Ausgang der Detektorschaltung
bewirkt, daß anstelle des Sensors, dessen Membran gebrochen ist, das Steuersystem an den Eingang eines
anderen Sensors geschaltet wird, um die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs aufrecht zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Kombination zwischen dem Abtast-Element,
das um die Halbleitermembran herum und auf dieser vorgesehen ist, und der Detektorschaltung, die mit
dem Abtast-Element verbunden ist, ermöglicht eine frühzeitige Abtastung eines Bruches der Membran und damit
eine Lösung des oben näher beschriebenen Problems.
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- 14 ZUSAMMENFASSUNG
Eine Sensor-Platte 10 befindet sich innerhalb einer Einheit 30 und umfaßt eine Halbleiter-Membran (12) , die an
ihrem Umfang innerhalb der Einheit abgestützt ist. Die Halbleiter-Membran weist wenigstens eine diffundierte
Schicht auf, die auf der Membran als druckempfindliches
Element vorgesehen ist. Eine Oberfläche der Membran wird einem Vergleichsdruck ausgesetzt, während die andere
Oberfläche den zu messenden Fluiddruck aufnimmt. Ein Abtast-Element (22) zur Abtastung eines Bruches der
Membran umfaßt einen elektrischen, fadenförmigen Leiter und ist zick-zack-förmig auf beiden Seiten der
Grenzlinie zwischen der Membran und deren Halterung angeordnet. Dieser Leiter weist im wesentlichen dieselbe
Festigkeit wie das Material der Membran auf, so daß bei einem Bruch der Membran der Leiter ebenfalls bricht
und eine Anzeige ermöglicht. Das Abtast-Element (22) kann U-förmige Ausbuchtungen (22a bis 22d) zur radialinneren
Seite umfassen, die im wesentlichen den Mittelbereich der Membran erreichen.
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Leerseite
Claims (14)
1.) Drucksensor mit einer in einer abgedichteten Einheit
vorgesehenen, in einem Teilbereich eine Membran tragenden Halbleiterplatte und einem druckempfindlichen Element mit
wenigstens einem diffundierten Widerstand auf einer Oberfläche der Membran, gekennzeichnet durch ein
Abtast-Element (22) zum Abtasten eines Bruches der Membran (12) in der Form eines fadenförmigen elektrischen Leiters,
der in die Oberfläche der Membran eingebettet und elek-
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trisch gegenüber dem diffundierten Widerstand isoliert ist und der im wesentlichen dieselbe mechanische Festigkeit
wie die Membran aufweist, sowie dadurch, daß die Halbleiter-Platte (10) mit dem druckempfindlichen EIement
(18) und dem Abtast-Element im Innenraum der Einheit (30) vorgesehen und mit dieser derart verbunden
ist / daß die Membran (12), das druckempfindliche Element
(18) und das Abtast-Element (22) im Inneren der Ein heit (30) im Abstand zu deren Wänden liegend und ein
hermetisch abgeschlossener Raum zwischen der Innenseite der Einheit (30) und der Vorderseite der Halbleiter-Plat
te (10) mit der Membran (12) gebildet ist, wobei eine Durchgangsbohrung (38) in die Einheit auf der Rückseite
der Membran eintritt.
2, Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Plate (10) eine die
Membran im Umfang umgebende Halterung (14) umfaßt, die mit der Innenseite der Einheit (30) verbunden, insbe-■
sondere verklebt ist, und daß der das Abtast-Element bildende, fadenförmige Leiter zick-zack-förmig über die
Grenzlinie (26) zwischen der Membran und der Halterung (14) hinweg verläuft.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Abtast-Element (22)
bildende fadenförmige Leiter als diffundierte Schicht ausgebildet ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fadenförmige Leiter als
aufgedampfter Film ausgebildet ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet,
daß der aufgedampfte Film aus Gold besteht.
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6, Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgedampfte Film aus Aluminium
besteht.
7. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fadenförmige Leiter aus
einer diffundierten Schicht und einem aufgedampften Film zusammengesetzt ist.
8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgedampfte Film aus Gold besteht.
9. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet,
daß der aufgedampfte Film aus Aluminium besteht.
10. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fadenförmige Leiter
wenigstens eine ü-förmige Ausbuchtung (22a,22b,22c,22d)
einschließt, die zur radial-inneren Seite vorspringt und im wesentlichen den Mittelbereich der Membran erreicht.
11. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kenn η zeichnet, daß der fadenförmige Leiter
eine Anzahl von U-förmigen Ausbuchtungen aufweist, die zur radial-inneren Seite vorspringen und an ihren inneren
Endbereichen wenigstens einen diffundierten Widerstand
(18a bis 18d) in elektrisch isolierter Anordnung schneiden.
12. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche EIement
die Form eines Quadrates im Mittelbereich der Membran (12) aufweist und weiterhin vier Leitstreifen (20a
bis 2Od) umfaßt, die mit den Ecken des Quadrates ver-
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bunden sind und sich jeweils paarweise parallel gegengesetzt nach auswärts erstrecken.
13. Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η
zeichnet, daß der fadenförmige Leiter zwei U-
förmige Ausbuchtungen aufweist, die radial nach innen
vorspringen und von denen jeder zwischen und entlang zwei Leitstreifen angeordnet sind, die sich parallel
nach auswärts erstrecken.
10
10
14. Drucksensor nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß der fadenförmige Leiter vier in Umfangsabständen liegende, U-förmige Ausbuchtungen aufweist,
die nach innen vorspringen und die vier Leitstreifen umgeben und mit ihren inneren Endbereichen die
angrenzenden Seiten des Quadrates schneiden.
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