DE3118306C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation der Temperaturdrift eines piezoresistiven Halbleiter-Drucksensors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung geht aus der US-PS 36 54 545 als be­ kannt hervor. Diese Vorrichtung ist allerdings kompliziert auf­ gebaut und besitzt außerdem aktive Bauelemente.

Weiterhin ist aus der DE-AS 14 48 968 ein Meßwertgeber mit einer auf einem Dehnungskörper angeordneten Schaltung dehnungsempfind­ licher Widerstände bekannt, bei dem ein Serienwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und ein Parallelwider­ stand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten benötigt werden.

Bei piezioresistiven Halbleiter-Drucksensoren beruht die Druck­ messung bekanntlich auf dem piezoresistiven Effekt in einem ins­ besondere aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper. Es hat sich aber gezeigt, daß dieser Effekt mit steigender Temperatur immer geringer wird, wobei eine Abnahme der Empfindlichkeit des Druck­ sensors um etwa 0,2%/°K auftritt, was eine unerwünschte Abhängig­ keit des die Druckänderung anzeigenden Ausgangssignals des Druck­ sensors von der Temperatur bedingt. In Fig. 1 sind verschiedene Kurven für die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit eines Drucksensors angegeben, der mit einer konstanten Betriebsspannung U_B betrieben wird. In dieser Figur sind auf der Abszisse der auf den Drucksensor einwirkende Überdruck P in Bar und auf der Ordina­ te das vom Drucksensor erhaltene Ausgangssignal S in mV für eine am Drucksensor liegende konstante Spannung U_B aufgetragen. Wie nun aus Fig. 1 ersichtlich ist, verringert sich die Temperaturemp­ findlichkeit von einer Kurve 1 bei 25°C zu einer Kurve 2 bei 100°C und zu einer Kurve 3 bei 150°C. Eine noch weitere Erhöhung der Temperatur führt zu einer weiteren Abnahme der Empfindlichkeit des Drucksensors.

Um diese Temperaturdrift des Ausgangssignals von Halbleiter-Druck­ sensoren zu kompensieren, wurden bisher aktive Schaltungen ver­ wendet. Hierzu kann entweder eine externe elektrische Schaltung in der Form einer Leiterplatte oder einer Hybrid-Schaltung mit dem Drucksensor verbunden oder dieser zusammen mit einer elektri­ schen Schaltung in einen Halbleiterkörper integriert werden. Eine derartige Lösung führt aber zu einem beträchtlich hohen technischen Aufwand, was insbesondere dann gilt, wenn eine Kom­ pensation bei einer beliebigen Betriebsspannung möglich sein soll. Außerdem muß jeder einzelne Halbleiterkörper für sich ab­ geglichen werden, so daß infolge der fehlenden Reproduzierbar­ keit eine geringe Ausbeute in der Herstellung erzielbar ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die einfach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dieser temperaturunabhängige Widerstand kann ein Metall-Schicht­ widerstand sein, der insbesondere aus NiCr besteht.

Bei der Erfindung ist also eine passive Schaltung auf dem glei­ chen Halbleiterkörper wie der Drucksensor untergebracht. Diese Schaltung stellt im Prinzip eine Stromquelle mit einem tempera­ turabhängigen Innenwiderstand dar. Der in Reihe zur Brückenschal­ tung mit dem piezoresistiven Drucksensor geschaltete Metall- Schichtwiderstand bildet dabei einen Spannungsteiler. Bei einer Temperaturerhöhung steigt nun der Widerstand des als temperatur­ abhängiger Silizium-Widerstand ausgeführten Temperatursensors an, wodurch sich auch der Wert der an der Brückenschaltung liegenden Betriebsspannung erhöht. Auf Grund der Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Drucksensors von der Betriebsspannung kann somit eine Kompensation der Temperaturdrift der Empfindlichkeit be­ wirkt werden. Dabei erfolgt die Kompensation bei jeder Betriebsspannung, was einen beträchtlichen Vorteil dar­ stellt.

Der temperaturunabhängige Widerstand kann ein Metall- Schichtwiderstand sein, dessen Wert beispielsweise durch einen Laserabgleich genau eingestellt werden kann, wie dies bei Dickschichtschaltungen üblich ist. Mit einer entsprechend aufgebauten Vorrichtung ist in einem Tempe­ raturbereich von beispielsweise -30°C bis +130°C der Druck mit einer Genauigkeit von weniger als ±2% meß­ bar.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit eines bestehenden Halbleiter-Drucksensors,

Fig. 2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 die Temperaturabhängigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend Fig. 1.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, liegt in Reihe zu einer einen piezoresistiven Drucksensor 11 bildenden Brücke aus Widerständen 12, 13, 14, 15 und aus einem tempera­ turabhängigen Sensor 16 ein temperaturunabhängiger Me­ tallwiderstand 10 aus NiCr, der als Schicht auf die Oberfläche des gleichen Halbleiterkörpers aufgedampft ist, in dem die Widerstände 12 bis 15 und der Tempera­ tursensor 16 enthalten sind. Der Widerstandswert dieses durch Ätzen strukturierten Metallwiderstands 10 wird durch Laserabgleich eingestellt. Die Widerstände 12 bis 15 und der Temperatursensor 16, der ein temperaturabhän­ giger Widerstand ist, werden integriert im gleichen Halbleiterkörper durch Diffusion oder Implantation her­ gestellt. An Klemmen 18, 19 liegt die Betriebsspannung U_B, wahrend an Klemmen 20, 21 das Ausgangssignal des Drucksensors 11 erhalten wird.

Fig. 3 zeigt nun die Temperaturabhängigkeit der Empfind­ lichkeit der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wie aus dieser Figur zu ersehen ist, hat das Ausgangssignal S bei den verschiedenen Temperaturen von 25°C, 100°C und 150°C die gleiche Abhängigkeit vom Überdruck P, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in diesem Temperaturbereich temperaturunempfindlich ar­ beitet.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Kompensation der Temperaturdrift eines Halb­ leiter-Drucksensors, bei der der piezoresistive Drucksensor in einer Brückenschaltung (11) angeordnet ist, deren Mittelzweig unter anderem ein Temperatursensor (16) bildet und mit der auch temperaturunabhängige Widerstände (10) verbunden sind, gekennzeichnet durch eine rein passive Schaltung auf einem einzigen Silizium-Halbleiterkörper, durch genau einen als Silizium-Widerstand ausgeführten Temperatursensor (16) als Mittelzweig der durch Diffusion oder Implantation hergestellten Brückenschaltung (11) und einen in Serie zur piezoresistiven Brückenschaltung (11) geschalteten temperaturunabhängigen Wider­ stand (10), der als Schicht auf die Oberfläche des gleichen Halbleiterkörpers aufgedampft ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der temperaturunabhängige Widerstand (10) ein Metall-Schichtwiderstand ist, der aus NiCr besteht.