DE3702412C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer für
statische Druckbelastungen mit einem Siliziumkörper, der
auf einem Trägersubstrat angeordnet ist und einen zum
Trägersubstrat offenen sacklochartige, Hohlraum aufweist,
wodurch sich eine parallel zur Grundfläche und zu einer
ausgewählten Kristallebene des Siliziumkörpers liegende
Membran bildet, auf deren Außenfläche eine aus
piezoresistiven Widerstandselementen aufgebaute
Wheatstone-Brücke angeordnet ist, von der zwei
Widerstandselemente zentrisch auf der Membran und zwei
Widerstandselemente am Außenrand der Membran aufgebracht
sind.
Ein solcher Druckaufnehmer ist aus der Zeitschrift
"Siemens-Forschungs- und Entwicklungsberichte", Band 13,
1984, Nr. 6, Springer-Verlag, Seiten 294 bis 302 bekannt.
Dieser besteht aus einem einkristallinen Siliziumkörper,
der auf einer als Trägersubstrat ausgebildeten Glasplatte
angeordnet ist. Die Außenfläche des Siliziumkörpers, die
vom Trägersubstrat abgewandt ist, wird als Grund
fläche bezeichnet. Diese Grundfläche, die in der
(111)-Kristallebene liegt, beinhaltet die Außenfläche der
Membran. Die piezoresistiven Widerstandselemente sind auf
dem Siliziumkörper integriert (eindiffundiert). Die eine
Wheatstone-Brücke bildenden piezoresistiven Widerstands
elemente sind auf den Bereichen der Membran angebracht, wo
die größten mechanischen Spannungen auftreten, um ein
entsprechend großes elektrisches Signal zu erhalten.
Aufgrund des piezoresistiven Effektes ändert jedes
Widerstandselement mit dem Widerstandswert R seinen Wert
nach der Gleichung:
dR/R = π r σ r + π t σ t
wobei σ r und σ t die radiale bzw. tangentiale
mechanische Spannung im Siliziumkörper, π r und π t die
radiale bzw. tangentiale piezoresistive Konstante sind und
dR der Wert der Widerstandsänderung ist. Die piezo
resistiven Konstanten werden durch die Wahl des Wider
standsmaterials und der Kristallorientierung festgelegt.
Die Widerstandselemente sind so angebracht, daß die
Widerstandsänderungen der Widerstände dem Betrage nach
gleich sind, und die Widerstandsänderung zweier Elemente
gleich und dem anderen Elementenpaar entgegengesetzt ist.
Um dies zu erreichen, müssen die Widerstandselemente so
angeordnet werden, daß bei Druckbelastung entweder
- a) die mechanischen Spannungen an den entsprechenden Widerstandselementen das Vorzeichen wechseln und die piezoresistiven Konstanten für alle Elemente ungefähr gleich sind oder
- b) die mechanischen Spannungen für alle Widerstände das gleiche Vorzeichen haben und die piezoresistiven Konstanten an den entsprechenden Widerstandselementen das Vorzeichen wechseln.
Für Membranen, die parallel zur (111)-Kristallebene
liegen, müssen die Widerstandselemente gemäß Punkt a)
angeordnet werden.
Aus der oben genannten Zeitschrift ist es bekannt, daß für
eine Druckbelastung unter 250 bar aufgrund der großen
Zugfestigkeit die (111)-Kristallebene als Grundfläche des
Siliziumkörpers ausgewählt wird. Bei Druckbelastungen über
250 bar wird jedoch die elektrische
Spannungs-Druck-Kennlinie in einem unzulässigen Maße
nichtlinear. Es ergibt sich eine Nichtlinearität von über
einem Prozent. Diese große Nichtlinearität ist dadurch
bedingt, daß auf der Außenfläche starke Druckspannungen im
Zentrum der Membran (Kompression) und keine Zugspannungen
an der Membran und sehr geringe Zugspannungen außerhalb
der Membran auftreten. Diese mechanische Spannungs
verteilung führt zu einer ungleichen Widerstandsänderung
in der Meßbrücke, wodurch die Nichtlinearität herrührt.
Deshalb wird bei den bekannten Druckaufnehmern für eine
hohe Druckbelastung die (100)-Kristallebene als Grund
fläche gewählt, wo die Widerstandselemente gemäß Punkt b)
angeordnet sind. Für die Druckaufnehmerfertigung bedeutet
dies einen zweiten Herstellungsprozeß, d. h. es müssen für
hohe Druckbelastungen Siliziumkörper mit der
(100)-Kristallebene als Grundfläche und für geringe
Druckbelastungen Siliziumkörper mit der (111)-Kristall
ebene als Grundfläche hergestellt werden.
Es sind ebenfalls Druckaufnehmer mit einem Siliziumkörper
bekannt, bei dem die Widerstandselemente nicht integriert
(eindiffundiert) sind, sondern als Dünnschichtwiderstände
ausgebildet sind. Zwischen dem Siliziumkörper, der einen
sacklochartigen Hohlraum aufweist, und den Dünnschicht
widerständen ist eine Isolierschicht, beispielsweise aus
Siliziumnitrid oder Siliziumoxid, aufgebracht. Wirkt auf
diesen Druckaufnehmer eine Druckbelastung von über 250 bar
ein, so hat sich gezeigt, daß hierbei die elektrische
Spannungs-Druck-Kennlinie in einem unzulässigen Maße
nichtlinear wird.
Es sei noch erwähnt, daß aus der EP-A 01 11 640 ein Druck
aufnehmer bekannt ist, bei dem die Widerstandselemente
gemäß Punkt b) angeordnet sind. Der Druckaufnehmer enthält
vier sacklochartige Hohlräume, die kreisförmig angeordnet
sind und wodurch vier Membranen gebildet werden. Die
Außenflächen der Membranen liegen parallel zur
(100)-Kristallebene. Außerhalb der kreisförmigen
Anordnung, in der Nähe jeder Membran, sind vier Wider
standselemente angeordnet und zwar an einer solchen
Stelle, wo zwischen der tangentialen und radialen
mechanischen Spannung der größte Unterschied besteht.
Durch die Wahl von vier sacklochartigen Hohlräumen anstatt
eines großen sacklochartigen Hohlraumes soll die Bruch
festigkeit des Druckaufnehmers vergrößert werden.
Aus der US-PS 45 28 855 ist ein Druckaufnehmer insbe
sondere für hohe Drücke bekannt, der aus einem ein
kristallinen Siliziumkörper besteht. Der Siliziumkörper
ist auf einer als Trägersubstrat ausgebildeten Silizium
platte angeordnet. Die Grundfläche des Siliziumkörpers
(die Außenfläche des Siliziumkörpers, die vom Träger
substrat abgewandt ist), liegt in der
(100)-Kristallebene. Zum Trägersubstrat hin weist der
Siliziumkörper einen offenen, sacklochartigen Hohlraum und
einen weiteren als Ringnut ausgebildeten Hohlraum um den
sacklochartigen Hohlraum auf. Am Außenrand der inneren
Membran sind wenigstens vier piezoresistive Widerstands
elemente symmetrisch aufgebracht. Auf der ringförmigen
Membran befinden sich ebenfalls piezoresistive
Widerstandselemente. Der auf dem Trägersubstrat aufge
brachte Siliziumkörper befindet sich in einem Gehäuse, das
zwei Öffnungen aufweist. Durch die eine Öffnung kann eine
Flüssigkeit fließen, die auf die Grundfläche des Silizium
körpers einwirkt. Durch die andere Öffnung fließt über
eine weitere Öffnung im Trägersubstrat eine Flüssigkeit in
den sacklochartigen Hohlraum. Die innere Membran ist also
Teil eines Differenzdruckaufnehmers, bei dem bei hohen
Druckbelastungen (über 250 bar) keine Linearitätsprobleme
auftreten, da die Grundfläche parallel zur (100)-Kristall
ebene gewählt ist und die Widerstandselemente am Rande der
Membran angeordnet sind.
Ferner zeigt die DE-AS 21 23 690 einen Druckaufnehmer mit
einer kreisförmigen Membran und mit spezifischen
Anordnungen der Widerstandselemente.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druck
aufnehmer zu schaffen, bei dem die Nichtlinearität der
elektrischen Spannungs-Druck-Kennlinie bei hohen Druck
belastungen verringert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Druckaufnehmer der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß im Siliziumkörper
beiderseits der am Außenrand der Membran angeordneten
Widerstandselemente ein weiterer zum Trägersubstrat hin
offener Hohlraum vorgesehen ist.
Bei diesem Druckaufnehmer wird neben dem sacklochartigen
Hohlraum an der Membran noch mindestens ein weiterer Hohl
raum an dem Außenrand der Membran angebracht. Der bzw. die
zusätzlichen Hohlräume müssen auf jeden Fall im Bereich
der äußeren Widerstandselemente vorgesehen sein. Aufgrund des
wenigstens einen Hohlraumes entsteht auf der Grundfläche
eine sehr viel größere mechanische Zugspannung als beim
bekannten Druckaufnehmer. Hierdurch wird die Nicht
linearität der elektrischen Spannungs-Druck-Kennlinie
verringert. Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer kann daher
nicht nur für Druckbelastungen unter 250 bar, sondern auch
für Druckbelastungen um die 1000 bar entworfen werden.
Beispielsweise können zwei Hohlräume als Längsnuten neben
den Widerstandselementen angeordnet werden, die am Außen
rand der Membran liegen. Als weitere Möglichkeit ergibt
sich, den sacklochartigen Hohlraum im Querschnitt kreis
förmig auszubilden und den weiteren Hohlraum als Ringnut
um den sacklochartigen Hohlraum herumzuführen. Hierdurch
wird eine einfache Konstruktion erreicht. Die Ringnut läßt
sich nämlich ebenso wie die eigentliche Membran im selben
Arbeitsvorgang mit Hilfe von Ätztechniken herstellen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Tiefen des sacklochartigen Hohlraumes und der Ringnut
annähernd gleich sind, daß der Abstand zwischen den beiden
Hohlräumen annähernd gleich der Hälfte des Durchmessers
der Membran ist und daß die Breite der Ringnut einen Wert
zwischen der Hälfte des Durchmessers und dem Durchmesser
der Membran besitzt. Hierdurch wird eine Nichtlinearität
der Kennlinie von kleiner als 0,1% erreicht, wie durch
experimentielle Untersuchungen bei einer Druckbelastung
von 300 bis 1200 bar ermittelt worden ist.
Ein Druckaufnehmer kann so ausgebildet sein, daß die
Membran parallel zu einer (111)-Kristallebene des Silizium
körpers liegt und daß die Widerstandselemente in diesen
eindiffundiert sind.
Als weitere Möglichkeit ist vorgesehen, daß die Wider
standselemente als Dünnschichtwiderstandselemente aufge
baut sind. Hierbei hat die Kristallorientierung bzw. die
Kristallebene der Grundfläche des Siliziumkörpers
beliebig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht eines Druckaufnehmers mit einem
Siliziumkörper, bei dem die Widerstandselemente integriert
sind,
Fig. 2 einen Längsschnitt des Druckaufnehmers längs der
Ebene II-II der Fig. 1,
Fig. 3 den radialen bzw. tangentialen mechanischen
Spannungsverlauf des Druckaufnehmers entlang der Linie
II-II der Fig. 1 und
Fig. 4 einen Längsschnitt eines Druckaufnehmers mit einem
Siliziumkörper und Dünnschichtwiderstandselementen.
Der Druckaufnehmer nach den Fig. 1 und 2 enthält einen
quaderförmigen Siliziumkörper 1, der beispielsweise durch
anodisches Bonden auf ein Trägersubstrat 2 aufgebracht
ist. Das Trägersubstrat 2 kann beispielsweise eine Glas
platte sein. Die Grundfläche 3 des Siliziumkörpers 1 liegt
in einer (111)-Kristallebene und ist die Außenfläche, die
vom Trägersubstrat 2 abgewandt ist. Im Silizium
körper 1 ist ein sacklochartiger Hohlraum 4 vorhanden, der
einen kreisförmigen Querschnitt hat und zum Träger
substrat 2 hin geöffnet ist. Aufgrund dieses Hohlraumes 4
bildet sich eine kreisförmige Membran 5, die parallel zur
(111)-Kristallebene liegt und auf der vier Widerstands
elemente 6 bis 9 angeordnet sind.
Die Widerstandselemente 6 und 7 sind als Längsstreifen
parallel im Zentrum der Membran 5 angeordnet. Die Wider
standselemente 8 und 9 sind als U-förmige Streifen ausge
bildet und am Außenrand der Membran 5 parallel so ange
ordnet, daß die U-förmige Öffnung der Widerstands
elemente 8 bzw. 9 der Membran 5 entgegengerichtet ist. Die
U-förmige Öffnung der Widerstandselemente 8 bzw. 9 könnte
auch zur Membran 5 zeigen. Die vier Widerstandselemente 6
bis 9 sind im Siliziumkörper 1 integriert und mit hier
nicht näher dargestellten elektrischen Zuleitungen
verbunden, so daß mit diesen Elementen eine
Wheatstone-Brücke gebildet werden kann.
Der bisher beschriebene Druckaufnehmer ist bekannt und
wird für Druckbelastungen bis 250 bar verwendet. Bei
höheren Druckbelastungen ergab sich eine Nichtlinearität
von über einem Prozent der elektrischen Spannungs-Druck-
Kennlinie. Durch die Erfindung wird die Nichtlinearität
verringert, indem ein weiterer Hohlraum in den Silizium
körper 1 eingebracht ist. Dieser weitere Hohlraum ist als
Ringnut 10 mit einem U-förmigen Querschnitt um den
Hohlraum 4 herumgeführt und zum Trägersubstrat 2 hin
geöffnet. Vorzugsweise sollte die Tiefe des sackloch
artigen Hohlraumes 4 und der Ringnut 10 annähernd gleich
sein. Die Breite a 1 der Ringnut 10 soll einen Wert
zwischen der Hälfte des Durchmessers a 2 und dem Durch
messer a 2 der Membran 5 besitzen, und der Abstand a 3
zwischen den beiden Hohlräumen 4 und 10 soll annähernd
gleich der Hälfte des Durchmessers a 2 der Membran 5 sein.
Bei praktischen Untersuchungen wurde festgestellt, daß
solche Druckaufnehmer bei einer hydrostatischen Druck
belastung von 300 bis 1200 bar eine Nichtlinearität der
elektrischen Spannungs-Druck-Kennlinie von kleiner als
0,1% aufweisen.
Der mechanische Spannungsverlauf an der Grundfläche, der
sich für einen solchen Druckaufnehmer entlang der
Linie II-II bei der Fig. 1 für die radiale bzw.
tangentiale mechanische Spannungs-Komponente ergab, ist in
Fig. 3 dargestellt. Der tangentiale Spannungsverlauf σ t
ist durch eine unterbrochene Linie dargestellt. Bei dem
radialen Spannungsverlauf σ r, der als ausgezogene Linie
gezeichnet ist, treten positive radiale Spannungen
zwischen der Membran und der Ringnut auf. Aufgrund dieser
viel größeren positiven radialen Spannung im
Druckaufnehmer gemäß der Fig. 1 als im bekannten Druckaufnehmer
wird eine sehr viel geringere Nichtlinearität der
Kennlinie erzielt.
Ein weiterer Druckaufnehmer ist in Fig. 4 dargestellt. Bis
auf die Anordnung der Widerstandselemente ist der Aufbau
des Druckaufnehmers identisch mit dem, der in den Fig. 1
und 2 dargestellt ist. Der Siliziumkörper 1, der auf dem
Trägersubstrat 2 aufgebracht ist, enthält ebenfalls den
sacklochartigen Hohlraum 4 mit einem kreisförmigen Quer
schnitt. Um den sacklochartigen Hohlraum 4 ist die Ring
nut 10 herumgeführt. Aufgrund des Hohlraumes 4 bildet sich
die Membran 5. Bei diesem Druckaufnehmer ist die Kristall
orientierung beliebig, d. h. die Grundfläche 3 kann in
einer beliebigen Kristallebene liegen.
Der in Fig. 4 dargestellte Druckaufnehmer weist keine
integrierten Widerstandselemente, sondern vier Dünnschicht
widerstandselemente auf. Zwei dieser Dünnschichtwider
standselemente sind, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt,
ebenfalls als Längsstreifen parallel im Zentrum der
Membran 5 angeordnet. Die beiden anderen Dünnschichtwider
standselemente 11 und 12 sind als U-förmige Streifen
ausgebildet und am Außenrand der Membran parallel ange
ordnet. Die letztgenannten Dünnschichtwiderstands
elemente 11 und 12 sind vom Siliziumkörper 1 durch jeweils
eine Isolationsschicht 13 bzw. 14, die beispielsweise aus
Siliziumnitrid oder Siliziumoxid bestehen kann, getrennt.
Die vier Dünnschichtwiderstandselemente sind mit hier
nicht näher dargestellten elektrischen Zuleitungen ver
bunden, so daß mit diesen Elementen ebenfalls eine
Wheatstone-Brücke gebildet werden kann.
Der in Fig. 4 dargestellte Druckaufnehmer weist bei hohen
Druckbelastungen eine geringe Nichtlinearität der elek
trischen Spannungs-Druck-Kennlinie auf.
Claims (5)
1. Druckaufnehmer für statische Druckbelastungen mit
einem Siliziumkörper (1), der auf einem Trägersubstrat (2)
angeordnet ist und einen zum Trägersubstrat (2) offenen
sacklochartigen Hohlraum (4) aufweist, wodurch sich eine
parallel zur Grundfläche und zu einer ausgewählten
Kristallebene des Siliziumkörpers liegende Membran (5)
bildet, auf deren Außenfläche eine aus piezoresistiven
Widerstandselementen (6 bis 9; 11, 12) aufgebaute
Wheatstone-Brücke angeordnet ist, von der zwei
Widerstandselemente (6, 7) zentrisch auf der Membran und
zwei Widerstandselemente (8, 9; 11, 12) am Außenrand der
Membran aufgebracht sind,
dadurch gekennzeichnet, daß im Siliziumkörper (1) beider
seits der am Außenrand der Membran angeordneten Wider
standselemente (8, 9; 11, 12) ein weiterer zum Träger
substrat (2) offener Hohlraum (10) vorgesehen ist.
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der sacklochartige Hohl
raum (4) im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und der
weitere Hohlraum als Ringnut (10) um den sacklochartigen
Hohlraum herumgeführt ist.
3. Druckaufnehmer nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefen des sacklochartigen
Hohlraumes (4) und der Ringnut (10) annähernd gleich sind,
daß der Abstand (a 3) zwischen den beiden Hohlräumen (4,
10) annähernd gleich der Hälfte des Durchmessers (a 2) der
Membran (5) ist und daß die Breite (a 1) der Ringnut (10)
einen Wert zwischen der Hälfte des Durchmessers (a 2) und
dem Durchmesser (a 2) der Membran (5) besitzt.
4. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5)
parallel zu einer (111)-Kristallebene des Silizium
körpers (1) liegt und daß die Widerstandselemente (6
bis 9) in diesen eindiffundiert sind.
5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente als
Dünnschichtwiderstandselemente (11, 12) aufgebaut sind.
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1989
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