DE3928542C2

DE3928542C2 - Halbleiter-Druckwandler

Info

Publication number: DE3928542C2
Application number: DE3928542A
Authority: DE
Inventors: Tomoyuki Tobita; Akira Sase; Yoshimi Yamamoto; Satoshi Shimada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-08-31
Filing date: 1989-08-29
Publication date: 1996-01-25
Anticipated expiration: 2009-08-30
Also published as: CN1012217B; JP2656566B2; DE3928542A1; US4972716A; CN1040681A; JPH0264430A

Description

Ein Halbleiter-Druckwandler mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist die US 4,364,276 bekannt. Dieses Gerät dient zur Messung der Differenz von zwei an entgegengesetzten Seiten einer Membran anliegenden Drucken, läßt aber Änderungen in dem auf das Gerät insgesamt einwirkenden statischen Druck unberücksichtigt.

Aus US 4,530,244 und ähnlich aus JP(A)58-120142 ist ein weiterer Halbleiter-Druckwandler bekannt, der sowohl Druckdifferenzsignale als auch statische Drucksignale aufnimmt. Bei diesem Druckwandler ist ein Satz von Halbleiterwiderständen, die auf eine Druckdifferenz ansprechen, in einem dünneren Abschnitt einer Siliziummembran (einem Abschnitt mit relativ geringer Dicke) ausgebildet, und ein Satz von Halbleiterwiderständen, die auf den statischen Druck ansprechen, ist in einem dickeren Abschnitt (einem Abschnitt größerer Dicke) vorgesehen, der den äußeren Umfang des dünneren Abschnittes bildet. Die Siliziummembran ist auf einer Befestigungsplatte aus Glas befestigt.

Da bei einer Messung der Druckdifferenz der statische Druck gleichförmig auf den Druckwandler wirkt, entsteht in dem Satz von Widerständen zur Feststellung der Druckdifferenz, der in dem dünneren Abschnitt ausgebildet ist, eine extrem hohe Druckbeanspruchung. Da der statische Druck auch auf die Befestigungsplatte wirkt, entsteht aufgrund des Unterschiedes in der Deformation der Siliziummembran und der Befesti gungsplatte eine Biegespannung in der Siliziummembran, die einen Fehler in der Nullpunktseinstellung für den statischen Druck verursacht, verglichen mit dem Nullpunkt im Falle des Atmosphärendruckes (im allgemeinen wird ein solcher Fehler als Einfluß des statischen Druckes bezeichnet). Da dieser Fehler bei der Druckdifferenzmessung dem Druckdifferenzsi gnal überlagert ist, enthält das Druckdifferenzsignal diesen Fehler. Aus diesem Grund wird der statische Druck durch Aus bilden eines Satzes von Halbleiterwiderständen im dickeren Abschnitt mit der Absicht festgestellt, Fehler aufgrund dieses statischen Druckes korrigieren zu können.

Der Ausgangspegel dieses statischen Drucksignales hat bezüg lich des Druckdifferenzsignales einen Wert von einigen Zehn teln, er ist mit anderen Worten sehr klein. Im Prinzip wird für das statische Drucksignal der bei Einwirken des stati schen Druckes entstehende Spannungsunterschied zwischen der in der Befestigungsplatte erzeugten Spannung und der in der Siliziummembran erzeugten Spannung ausgenutzt, der auf den Unterschieden im Material der Befestigungsplatte und der Si liziummembran beruht. Um ein statisches Drucksignal mit ho hem Ausgangspegel zu erhalten, ist es folglich erforderlich, einen so großen Spannungsunterschied wie möglich zu haben. Wenn jedoch der Spannungsunterschied groß ist, tritt auch an der Verbindungsstelle zwischen der Siliziummembran und der Befestigungsplatte ein großer Spannungsunterschied auf. Die Festigkeit dieser Verbindungsstelle bestimmt daher den tole rierbaren statischen Druck, das heißt mit anderen Worten wird die statische Druckfestigkeit davon begrenzt. Da ein Ansteigen des Spannungsunterschiedes naturgemäß einen großen Einfluß auf den dünneren Abschnitt der Siliziummembran aus übt, beeinflussen sich außerdem das Druckdifferenzsignal und das Signal für den statischen Druck erheblich, und es ist schwierig, ein genaues Druckdifferenzsignal zu erhalten, das mit einem Signal für den statischen Druck mit einem hohen Ausgangspegel korrigiert ist.

Wenn bei dem bekannten Druckwandler versucht wird, das Signal für den statischen Druck zu erhöhen, besteht daher das Problem darin, daß dabei die Druckfestigkeit herabgesetzt wird und die gegenseitige Beeinflussung des Signales für den statischen Druck und des Druckdifferenzsignales groß wird, wodurch es schwierig ist, ein korrigiertes Druckdifferenzsignal hoher Genauigkeit zu erhalten.

Weitere Halbleiter-Druckwandler sind aus US 4,499,7774, US 3,335,381, DE 24 29 894 B2, DE 32 11 968 A1 und Sov.Inv. I11, SU-S, p. 48, week D45, SU 802-821 bekannt. Diese Druckschriften beziehen sich einerseits auf die Anwendung verschiedener Halbleitermaterialien in unterschiedlichen Orientierungen, andererseits auf verschiedene Möglichkeiten von Membranformen, die beim Druckbiegen geringeren Einfluß auf den eingespannten Rand ausüben.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiter-Druckwandler zu schaffen, mit dem ein Signal für den statischen Druck mit hohem Pegel erhalten werden kann, ohne daß die statische Druckfestigkeit herabgesetzt und ohne daß die gegenseitige Beeinflussung des statischen Drucksignals und des Druckdifferenzsignales erhöht ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wenn das Ausmaß der Deformation (bei Einwirken des stati schen Druckes) der ersten Befestigungsplatte mit dem der Siliziummembran verglichen wird, sollte bei diesem Aufbau der longitudinale Elastiziätsmodul der ersten Befestigungs platte kleiner sein als der der Siliziummembran, so daß das Ausmaß der Beanspruchung (das Ausmaß des Zusammendrückens) bei der ersten Befestigungsplatte größer ist als bei der Siliziummembran. Die erste Befestigungsplatte verursacht da her einen großen Spannungsunterschied an der Verbindungs stelle mit der Siliziummembran. Dieser Spannungsunterschied wirkt als Biegespannung auf die obere Oberfläche des dicke ren und die des dünneren Abschnittes der Siliziummembran mit den jeweiligen Widerstandssätzen für den statischen Druck bzw. die Druckdifferenz. Dieser Spannungsunterschied beein flußt auch die Festigkeit der Verbindung zwischen der Sili ziummembran und der ersten Befestigungsplatte und diese Biegespannung beeinflußt die Ausgangssignale des Satzes von Widerständen für den statischen Druck und des Satzes von Druckdifferenzwiderständen. Die Entstehung dieses Spannungs unterschiedes wird nun erfindungsgemäß durch die zweite Be festigungsplatte unterdrückt, wodurch der Spannungsunter schied verringert wird. Auf diese Weise wird die Festigkeit gegenüber statischem Druck erhöht. Des weiteren wird der Einfluß der Biegespannungskomponente auf das Druckdifferenz signal und das Ausmaß der gegenseitigen Beeinflussung der Signale für den statischen Druck und die Druckdifferenz verringert.

Diese Erniedrigung des Spannungsunterschiedes und der Biege spannung verringert andererseits jedoch nicht das Signal für den statischen Druck, da die Verteilung der Biegespannung nicht gleichförmig ist und der Ausgangspegel des Signales für den statischen Druck erfindungsgemäß durch eine Anord nung des Satzes von Widerständen für den statischen Druck an der Stelle erhöht wird, an der die größte Differenz der Bie gespannungskomponenten erhalten wird. Diese Stelle für den Satz von Widerständen für den statischen Druck wird durch die Länge des dickeren Abschnittes, auf dem dieser Satz von Widerständen ausgebildet ist, und die Dicke der ersten Be festigungsplatte bestimmt.

Ausführungsbeispiele eines Halbleiter-Druckwandlers werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des Halbleiter-Druckwandlers;

Fig. 2 eine Aufsicht zur Darstellung der Anordnung der Sätze von Widerständen auf der Siliziummembran bei dem Druckwandler der Fig. 1;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Abnahme der Drucksigna le von den Widerstandssätzen der Fig. 2;

Fig. 4 den Aufbau eines bekannten Halbleiter-Druckwandlers im Umriß;

Fig. 5 den Aufbau der vorliegenden Ausführungsform des Druckwandlers im Umriß;

Fig. 6A die Spannungsverteilung im dünneren Abschnitt der Siliziummembran bei dem bekannten Druckwandler;

Fig. 6B die Spannungsverteilung im dünneren Abschnitt der Siliziummembran bei der vorliegenden Ausführungsform des Druckwandlers;

Fig. 7 die Spannungsverteilung in der Siliziummembran bei der vorliegenden Ausführungsform des Druckwandlers;

Fig. 8A die Beziehung zwischen dem Drucksignal und der Dicke des dickeren Abschnittes der Siliziummembran bei der vorliegenden Ausführungsform des Druckwand lers;

Fig. 8B die Beziehung zwischen dem Drucksignal und der Dicke der ersten Befestigungsplatte bei der vorlie genden Ausführungsform des Druckwandlers;

Fig. 8C die Beziehung zwischen dem Drucksignal und dem Ver hältnis des Durchmessers der zweiten Befestigungs platte zu dem Durchmesser der ersten Befestigungs platte bei der vorliegenden Ausführungsform des Druckwandlers;

Fig. 9 ein Beispiel für die Verarbeitung der Signale aus dem Druckwandler der vorliegenden Ausführungsform; und

Fig. 10 den Aufbau einer zweiten Ausführungsform des Halb leiter-Druckwandlers im Umriß.

In der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine dünne kreisförmige Siliziummembran, deren Orientierung die der (110)-Ebene ist. Der Hauptteil der Siliziummembran besteht aus einem dünneren Abschnitt 11, einem mittleren starren Abschnitt 13 und einem dickeren Abschnitt 12. Im dünneren Abschnitt 11 ist ein Satz von Widerständen 111 bis 114 ange ordnet, die durch Diffusion ausgebildet wurden. Im dickeren Abschnitt 12 befindet sich ein ähnlicher Satz von Widerstän den 121 bis 124 (vgl. auch Fig. 2). Diejenige Oberfläche der Siliziummembran 1, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der die Sätze von Widerständen ausgebildet sind, ist durch eine Anodenverbindung an einer ersten Befestigungsplatte 2 befestigt. Diese erste Befestigungsplatte 2 besteht aus Pyrex-Glas oder einem ähnlichen Material, das den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie die Siliziummembran 1 und einen extrem kleinen linearen Elastizitätsmodul hat. Die erste Befestigungsplatte 2 weist in der Mitte ein Loch 21 zur Einführung eines Druckes P_L auf. Die andere Oberfläche der ersten Befestigungsplatte 2 ist mittels einer Anodenver bindung an einer zweiten Befestigungsplatte 3 befestigt. Diese zweite Befestigungsplatte 3 ist aus einem Fe-Ni-Mate rial oder dergleichen, das den gleichen linearen Ausdeh nungskoeffizienten wie die Siliziummembran 1 hat, ähnlich wie die erste Befestigungsplatte 2, jedoch einen longitu dinalen Elastizitätsmodul aufweist, der gleich dem der Siliziummembran 1 ist. In der Mitte der zweiten Befesti gungsplatte 3 ist wieder ein Loch 31 zur Einführung des Druckes P_L vorgesehen, ähnlich wie bei der ersten Befesti gungsplatte 2. Die andere Oberfläche 30 der zweiten Befesti gungsplatte 3 ist durch eine Verschweißung entlang des äußeren Umfanges an einem zylindrischen Körper 4 befestigt. Der zylindrische Körper 4 weist eine Dickfilm-Leiterplatte 5 für die elektrische Verbindung mit der Siliziummembran 1 auf, wobei Anschlußflächen auf der Dickfilm-Leiterplatte 5 mit elektrischen Verdrahtungsflächen 14 auf der Silizium membran 1 durch Bonddrähte 15 verbunden sind. Am zylindri schen Körper 4 sind auch ein Dichtungsabschnitt 41 zur her metischen Abdichtung und Anschlüsse 42 zur Übertragung der elektrischen Signale von der Siliziummembran 1 nach außen vorgesehen.

Die Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die Siliziummembran der Fig. 1. Die vier Widerstände 111 bis 114 sind auf dem dün neren Abschnitt 11 in radialer Richtung (deren kristallo graphische Orientierung gleich <111< ist) angeordnet. Der Widerstand dieses Satzes von Widerständen 111 bis 114 (Satz von Druckdifferenzwiderständen) ändert sich aufgrund des Piezo-Widerstandseffektes proportional zur Differenz (P_H- P_L) zwischen den auf die beiden Oberflächen des dünneren Ab schnittes 11 wirkenden Drücken. Wenn beispielsweise bei der Anordnung der Fig. 1 P_H < P_L ist, ändert sich der Widerstand der Widerstände 112 und 114 positiv, da diese Widerstände einer Zugbelastung unterworfen sind. Da die Druckdifferenz widerstände 111 und 113 dabei einer Druckbelastung unterlie gen, ändert sich andererseits deren Widerstand negativ. Die se Widerstände sind in einer Brückenschaltung 1a miteinander verbunden, wie es in der Fig. 3 gezeigt ist, um ein elektri sches Signal abnehmen zu können, das durch die Druckdiffe renz bestimmt ist, wobei das Signal über die Ausgangsan schlüsse 1a₁ und 1a₂ übermittelt wird.

Auch wenn die Druckdifferenz gleich Null ist (P_H = P_L), än dert sich der Widerstand des Satzes dieser Widerstände 111 bis 114, da diese einer Spannung unterliegen, die durch den Unterschied im longitudinalen Elastizitätsmodul der Sili ziummembran 1 und dem der ersten Befestigungsplatte 2 er zeugt wird. Das Ausmaß dieser Änderung ist proportional zum statischen Druck P_H (= P_L) und wird allgemein der Einfluß des statischen Drucks genannt. Bei der Messung einer Druck differenz wird das Ausmaß dieser Änderung dem Ausgangssignal über die Druckdifferenz überlagert. Aus diesem Grund ist es, um ein genaues Druckdifferenzsignal zu erhalten, zur Besei tigung dieses überlagerten Fehlers erforderlich, unter Ver wendung des Signales über den statischen Druck eine Korrek tur auszuführen. Dieses Signal über den statischen Druck wird mittels des Satzes von Widerständen 121 bis 124 (Satz von Widerständen für den statischen Druck) festgestellt, die im dickeren Abschnitt 12 der Siliziummembran 1 angeordnet sind, und das entsprechende Signal wird über eine Brücken schaltung 1b (Fig. 3) herausgeführt, ähnlich wie das Druck differenzsignal. Durch Subtrahieren dieser überlagerten Komponente ist es möglich, ein genaues Druckdifferenzsi gnal zu erhalten, wenn von dem Druckdifferenzsignal ausge gangen wird, dem das Signal über den statischen Druck über lagert ist. Wird das Druckdifferenzsignal, dem der statische Druck überlagert ist, mit ΔP′ bezeichnet, das genaue Druck differenzsignal mit ΔP und das Signal über den statischen Druck mit P_S, so gilt die folgende Gleichung:

ΔP=ΔP′-P_S.

Um zur Korrektur den genauen statischen Druck zu erhalten, ist es erforderlich, den Ausgangspegel des Signales über den statischen Druck zu erhöhen, wie es oben erwähnt ist. Da das Anheben des Signales über den statischen Druck jedoch auch einen Einfluß auf den dünneren Abschnitt 11 ausübt, ist die se Erhöhung bezüglich der Eigenschaften des Druckwandlers und dessen Zuverlässigkeit nicht günstig, da zur Erzeugung des Signales über den statischen Druck die Biegespannungen im dickeren Abschnitt 12 ausgenutzt werden, die durch den Unterschied im Ausmaß der Deformation bei der Einwirkung des statischen Druckes auf die erste Befestigungsplatte 2 und die Siliziummembran 1 erzeugt werden, wobei diese Biege spannungen im dickeren Abschnitt 12 auch einen Einfluß auf die Biegespannungen im dünneren Abschnitt 11 ausüben.

Um diese sich widersprechenden Forderungen zu erfüllen, ist erfindungsgemäß die zweite Befestigungsplatte 3 derart ange ordnet, daß die Biegespannungen so wenig wie möglich zu dem dünneren Abschnitt 11 der Siliziummembran 1 übertragen werden.

Die Fig. 4 zeigt den Aufbau eines bekannten Halbleiter- Druckwandlers im Umriß. Der deformierte Zustand bei ange legtem statischen Druck ist gestrichelt dargestellt. Die Fig. 5 zeigt demgegenüber den Aufbau des erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckwandlers mit der zusätzlichen zweiten Befestigungsplatte 3 im Umriß.

Wenn auf die Halbleiter-Druckwandler mit dem in den Fig. 4 bzw. 5 gezeigten Aufbau ein statischer Druck P ausgeübt wird, entstehen Spannungsverteilungen im dünneren Abschnitt 11 der Siliziummembran, wie sie in der Fig. 6A bzw. der Fig. 6B gezeigt sind. In den Fig. 6A und 6B stellt σ_r die Span nung in radialer Richtung, σ_t die Spannung in Umfangsrich tung und σ_z die Spannung in axialer Richtung dar. Bei dem bekannten Druckwandler mit dem in der Fig. 4 gezeigten Auf bau zieht sich die Befestigungsplatte 2 aufgrund des Unter schiedes im longitudinalen Elastizitätsmodul zwischen der Siliziummembran und der Befestigungsplatte 2 erheblich zu sammen. Das Ausmaß dieses Zusammenziehens wird auf den dün nen Abschnitt 11 übertragen, der eine Spannungsverteilung zeigt, wie sie in der Fig. 6A dargestellt ist. Da im Gegen satz zu dem erfindungsgemäßen Aufbau keine zweite Befesti gungsplatte vorhanden ist, wird die durch das Zusammenziehen der Befestigungsplatte 2 erzeugte Spannung auf die Silizium membran 1 übertragen, und der Satz von Druckdifferenzwider ständen 111 bis 112 wird einer übermäßigen Spannung unter worfen. Im Ergebnis treten nicht nur Fehler in der Null punktseinstellung auf, sondern es verschlechtert sich auch die Linearität der Widerstandsänderung. Da die untere Ober fläche der Befestigungsplatte 2 im wesentlichen frei ist, tritt weiter zwischen der Siliziummembran 1 und der oberen Oberfläche der Befestigungsplatte 2 eine große Verbindungs spannung auf, aufgrund der der tolerierbare statische Druck ziemlich gering ist.

Erfindungemäß wird die an der Verbindungsstelle zwischen dem dünnen Abschnitt 11 und der ersten Befestigungsplatte 2 auf tretende Spannung dadurch verringert, daß das Zusammenziehen der ersten Befestigungsplatte 2 durch die zweite Befesti gungsplatte 3 verringert wird, wodurch gleichzeitig die auf den Satz von Druckdifferenzwiderständen 111 bis 114 einwir kende Spannung verringert wird, wie die Fig. 6B zeigt.

Wenn das Ausmaß dieser Unterdrückung jedoch zu groß ist, sind die Spannungskomponenten im dünnen Abschnitt 11 und im dicken Abschnitt 12 nahezu konstant, wie es durch die Kurve (a) in der Fig. 7 gezeigt ist, und das Druckdifferenzsignal und das Signal über den statischen Druck beeinflussen ein ander. Es ist jedoch dann nicht möglich, ein Signal über den statischen Druck mit hohem Ausgangspegel zu erhalten, da keine gegenseitige Beeinflussung andererseits bedeutet, daß im dicken Abschnitt keine Änderungen in der Spannungsvertei lungskomponente auftreten.

Um ein Signal über den statischen Druck mit hohem Ausgangs pegel zu erhalten, wobei das Signal über den statischen Druck und das Druckdifferenzsignal einander nicht beeinflus sen, kann der Druckwandler so aufgebaut werden, daß im dicken Abschnitt 12 eine Biegespannung erzeugt wird und diese Spannung so wenig wie möglich auf den dünnen Abschnitt 11 übertragen wird, wie es in der Fig. 7 (b) gezeigt ist. Dieser Aufbau wird durch die Form und die Eigenschaften des Materiales der Siliziummembran 1, der ersten Befestigungs platte 2 und der zweiten Befestigungsplatte 3 festgelegt, wie es weiter unten noch genauer beschrieben wird. In der Fig. 7 stellt r_α _in den inneren Radius des dünneren Abschnit tes, r_α _out den äußeren Radius des dünneren Abschnittes (den inneren Radius des dickeren Abschnittes), r_out den äußeren Radius des dickeren Abschnittes und r_l die Differenz zwi schen r_out und r_α _out dar.

Die Fig. 8A bis 8C zeigen drei Beispiele für die Ausgangs signale aus dem Satz von Druckdifferenzwiderständen und dem Satz von Widerständen für den statischen Druck für den Fall, daß verschiedene Eigenschaften (Größen) davon geändert wer den. Mit abnehmender Dicke T₁ des dickeren Abschnittes 12 (nur T₁ wird geändert, alles andere bleibt fest) steigt bei spielsweise das Ausgangssignal des Satzes von Widerständen für den statischen Druck an, so daß ein höherer Ausgangs pegel erhalten wird, wobei jedoch die Änderungen im Aus gangssignal des Satzes von Druckdifferenzwiderständen eben falls ansteigen und die gegenseitige Beeinflussung größer wird, wie es in der Fig. 8A dargestellt ist. In der Fig. 8B, bei der nur die Dicke T₂ der ersten Befestigungsplatte 2 geändert wird und alles andere fest bleibt, sind diese Ände rungen kleiner als im Falle der Fig. 8A. Anhand der Fig. 8C, bei der nur das Verhältnis d₃/d₁ des äußeren Durchmessers 2d₃ der zweiten Befestigungsplatte 3 zum äußeren Durchmesser 2d₁ der ersten Befestigungsplatte geändert wird und alles andere fest bleibt, ist ersichtlich, daß die Änderungen we sentlich zum Ausgangssignal des Satzes von Druckdifferenz widerständen beitragen, ähnlich wie im Falle der Fig. 8A.

Um die in der Kurve (b) der Fig. 7 gezeigte Spannungsver teilung zu erhalten, das heißt um ein Signal über den stati schen Druck mit hohem Ausgangspegel zu erhalten, wobei das Signal über den statischen Druck und das Druckdifferenzsi gnal einander nicht beeinflussen, kann es ausreichen, die Dicke T₁ des dickeren Abschnittes bzw. der Siliziummembran 1, die Dicke T₂ der ersten Befestigungsplatte 2 und das Ver hältnis d₃/d₁ des Außendurchmessers der zweiten Befesti gungsplatte 3 zum Außendurchmesser der ersten Befestigungs platte 2 festzulegen sowie die Position r_g (vgl. Fig. 5) des Satzes von Widerständen für den statischen Druck zu bestim men, die auf dem dickeren Abschnitt 12 angeordnet sind. Wie in den Fig. 8A bis 8C gezeigt, ist es somit erforderlich, die Dicke T₁ der Siliziummembran 1 bezüglich der Dicke T₂ der ersten Befestigungsplatte 2 zu verringern, um das Ausmaß des Zusammenziehens der ersten Befestigungsplatte 2 nur auf den dickeren Abschnitt 12 zu übertragen und ein Signal über den statischen Druck mit hohem Ausgangspegel zu erhalten, wobei das Signal über den statischen Druck und das Druckdifferenz signal einander nicht beeinflussen. Es ist des weiteren er forderlich, den Satz von Widerständen 121 bis 124 für den statischen Druck an einer Stelle anzubringen, an der die Unterschiede in den Biegespannungskomponenten groß sind.

Im folgenden werden einige Formeln für diese Beziehungen ab geleitet. Wie in der Fig. 5 gezeigt, stellt E₁ den longitu dinalen Elastizitätsmodul der Siliziummembran 1 dar, T₁ die Dicke des dickeren Abschnittes 12, r_l die Breite des dicke ren Abschnittes 12 in radialer Richtung, r_g die Position des Satzes von Widerständen für den statischen Druck (gemessen vom äußeren Umfang des dünneren Abschnittes), E₂ den longi tudinalen Elastizitätsmodul der ersten Befestigungsplatte 2, T₂ deren Dicke, 2d₁ deren Außendurchmesser, 2d₃ den Außen durchmesser der zweiten Befestigungsplatte 3 und P den ein wirkenden Druck. Die Funktion f stellt dann die Beziehung zwischen der Verschiebung f (einem Vektor), die in der Si liziummembran entsteht, wenn die zweite Befestigungsplatte 3 hinzugefügt wird, in Abhängigkeit von den entsprechenden Va riablen auf der Basis der Kontinuität der ersten Befesti gungsplatte 2 und des dickeren Abschnittes 12 der Silizium membran 1 bei Anlegen des Druckes P wie folgt dar:

Die Konstruktionsbedingungen können durch einen solchen Satz dieser Parameter erhalten werden, bei dem diese Funktion am kleinsten ist. Wenn die Konstruktionsbedingungen unter Be rücksichtigung der Beziehung zwischen T₁ und T₂ geändert werden, kann folgende Gleichung abgeleitet werden:

wobei α und β Materialkonstanten sind, die insbesondere durch die Poisson′sche Konstante und die Form der ersten Befestigungsplatte 2 bzw. der Siliziummembran 1 festgelegt werden. Mittels der Gleichung (1) ist es möglich, die Form der verschiedenen Elemente festzulegen, von denen die Druck signale abgeleitet werden können, ohne daß sich das Druck differenzsignal und das Signal über den statischen Druck gegenseitig beeinflussen.

Um den Ausgangspegel des Signales über den statischen Druck zu erhöhen, ist es erforderlich, die Position feststellen, an der die Spannung im dickeren Abschnitt 12 der Silizium membran 1 maximal ist. Wenn die Biegemomentverteilung, die durch die oben beschriebene Verschiebung erhalten wird, mit M_x bezeichnet wird, gilt

M_x=f(P, r_ℓ, T₂, d₁).

Umschreiben dieser Formel ergibt

wobei x den Abstand vom Umfang des dickeren Abschnittes 12 angibt. Die Position bzw. Stelle r_g, an der die Spannung maximal ist, wird gegeben durch

wobei ξ und η Konstanten sind, die durch die Form festgelegt sind.

Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, daß die Position r_g des Satzes von Widerständen für den statischen Druck fast ausschließlich durch die Breite r_l des dickeren Abschnittes der Siliziummembran 1 und die Dicke T₂ der ersten Befestigungsplatte 2 bestimmt wird. An dieser Stelle ist die Differenz der Biegespannungen am größten.

Im folgenden wird ein konkretes Beispiel für die Größe der verschiedenen Elemente, wie sie aus den Gleichungen (1) und (2) erhalten werden, angegeben:

für

(1) T₂ = 4,0 mm, d₁ = 7,0 mm, d₃ = 3,5 mm, r_l = 2,0 mm
T₁ = 0,82 mm (α = 0,5, β = 1,5)
r_g = 1,4 mm (ξ = 0,10, η = 0,01)
(2) T₂ = 3,0 mm, d₁ = 7,0 mm, d₃ = 5,0 mm, r_l = 2,0 mm
T₁ = 0,57 mm (α = 0,5, β = 1,5)
r_g = 1,3 mm (ξ = 0,10, η = 0,01)

Die in der Fig. 7 gezeigte Kurve (b) stellt die Spannungsverteilung an der Oberfläche der Siliziummembran 1 dar, in der der Satz von Widerständen für den statischen Druck und der Satz von Druckdifferenzwiderständen so angeordnet sind, wie sie durch das oben beschriebene Verfahren mittels einer numerischen Analyse erhalten werden. Es war auf diese Weise möglich, zu bestätigen, daß das Ausgangssignal des Satzes von Widerständen für den statischen Druck erhalten werden kann, ohne daß die Spannungsverteilung im dünneren Abschnitt beeinträchtigt wird (so daß die Spannungsverteilung nicht zu der in der Fig. 6A gezeigten Verteilung wird) und ohne daß irgendwelche Einflüsse auf das Ausgangssignal des Satzes von Druckdifferenzwiderständen auftreten.

Die Fig. 9 zeigt schematisch ein Beispiel für die Verarbei tung der Signale aus dem Halbleiter-Druckwandler. Wenn die Drücke P+ΔP und P auf die vorderen und hinteren Oberflä chen der Siliziummembran 1 einwirken, ändern sich die Wider stände in dem Satz von Druckdifferenzwiderständen auf dem dünneren Abschnitt, und es wird ein elektrisches Signal zwi schen den Anschlüssen 1a₁ und 1a₂ (Fig. 3) erzeugt, das der Druckdifferenz ΔP proportional ist. Dieses elektrische Si gnal wird über die Anschlüsse 42 im Dichtungsabschnitt 41 und Leitungen 6a zu einem A/D-Konverter 60 geführt. Gleich zeitig wird der statische Druck P durch den Satz von Wider ständen 121 bis 124 im dickeren Abschnitt 12 der Silizium membran 1 festgestellt, wodurch ein Signal für den stati schen Druck zwischen den Anschlüssen 1b₁ und 1b₂ (Fig. 3) erzeugt wird. Dieses elektrische Signal wird wie das Druck differenzsignal in den A/D-Konverter 60 eingegeben. Der A/D-Konverter digitalisiert diese Signale und gibt sie zu einer Zentraleinheit (CPU) 61, die vorgegebene Operationen ausführt. Die Zentraleinheit 61 übermittelt ein Druckdiffe renzsignal, das zur Druckdifferenz ΔP genau proportional ist und von dem Einflüsse durch den statischen Druck beseitigt sind. Außerdem gibt sie ein Signal über den statischen Druck nach außen ab. Das Bezugszeichen 62 bezeichnet einen Spei cher, in dem die für die Operationen der Zentraleinheit 61 erforderlichen Daten und die entsprechenden Programme ge speichert sind. Die Druckdifferenz oder der statische Druck wird an einer Anzeigevorrichtung 63 angezeigt und/oder nach einer Umwandlung in ein Analogsignal in einem D/A-Konverter 64 abgegeben.

Mit der beschriebenen Ausführungsform ist es somit möglich,

(1) ein Signal mit einem hohen Ausgangspegel über den stati schen Druck zu erhalten;
(2) ein Druckdifferenzsignal mit hoher Genauigkeit zu erhal ten, das bezüglich des Fehlers aufgrund des statischen Drucks durch das Anheben des Ausgangspegels des Signales über den statischen Druck vollständig korrigiert ist; und
(3) ein Signal abzunehmen, das nur zum statischen Druck P proportional ist und das bis in den Bereich hoher Drücke erhalten werden kann.

Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform der Satz von Widerständen für den statischen Druck und der Satz von Druckdifferenzwiderständen in der (110)-Ebene bzw. der <111<-Richtung der Siliziummembran ausgebildet sind, kann die kristallographische Achse und die kristallographische Ebene beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann der Satz von Widerständen für den statischen Druck in der <110<-Rich tung angeordnet werden, wenn ein Substrat in der (100)-Ebene verwendet wird.

Des weiteren kann, obwohl bei der vorliegenden Ausführungs form der dünnere Abschnitt der Siliziummembran als Körper mit starrer Mitte gezeigt wurde, der gleiche Effekt auch mit einem dünnen Abschnitt ohne starre Mitte, sondern mit gleichmä ßiger Dicke erhalten werden.

Auch kann die Membran anstelle von Silizium beispielsweise aus einem anderen Halbleiter wie Galliumarsenid usw. bestehen.

Darüberhinaus werden die beschriebenen, vorteilhaften Aus wirkungen auch dann erhalten, wenn eine Siliziummembran verwendet wird, bei der ein Trägerabschnitt 130 zur Ver meidung einer gegenseitigen Beeinflussung des dickeren Ab schnittes mit dem Satz von Widerständen 121 bis 124 für den statischen Druck und des dünneren Abschnittes mit dem Satz von Druckdifferenzwiderständen 111 bis 114 zwischen dem dickeren Abschnitt und dem dünneren Abschnitt vorgesehen ist (Fig. 10). In diesem Fall kann im Vergleich zu der oben be schriebenen Ausführungsform das Signal über den statischen Druck mit einem hohen Ausgangspegel ohne Beeinflussung des Druckdifferenzsignales erhalten werden, da der Trägerab schnitt 130 den Satz von Widerständen für den statischen Druck und den Satz von Druckdifferenzwiderständen vollstän dig trennt.

Mit dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Halbleiter-Druck wandler kann, da es möglich ist, das Signal über den stati schen Druck mit einem hohen Ausgangspegel zu erhalten, ohne daß das Druckdifferenzsignal beeinflußt wird, die Druckdif ferenzmessung und die Messung des statischen Durckes gleich zeitig mit großer Genauigkeit ausgeführt werden, so daß die Effektivität erhöht und der Aufwand bei entsprechenden Messungen verringert ist.

Claims

1. Halbleiter-Druckwandler, umfassend
eine Halbleitermembran (1) mit einem dünneren Abschnitt (11) und einem an ihrem Rand angeordneten dickeren Abschnitt (12),
einen in dem dünneren Abschnitt (11) angeordneten Satz von Meßwiderständen (111-114) zur Messung einer Druckdifferenz,
eine erste Befestigungsplatte (2), die mit derjenigen Oberfläche des dickeren Membranabschnitts (12) verbunden ist, die von der die Meßwiderstände (111-114) tragenden Membranoberfläche abgewandt ist, wobei die erste Befestigungsplatte (2) hoch-isolierend ist, im wesentlichen den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizient wie die Halbleitermembran (1) aufweist sowie einen longitudinalen Elastizitätsmodul (E₂), der von demjenigen (E₁) der Halbleitermembran (1) wesentlich verschieden ist, und
eine zweite Befestigungsplatte (3), die mit der von der Halbleitermembran (1) abgewandten Oberfläche der ersten Befestigungsplatte (2) verbunden ist und im wesentlichen den gleichen longitudinalen Elastizitätsmodul sowie im wesentlichen den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizient aufweist wie die Halbleitermembran (1),
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Satz von Meßwiderständen (121-124) zur Messung eines statischen Drucks (P_H) an derjenigen Stelle (r_g) des dickeren Membranabschnitts (12) angeordnet ist, an der die Differenz der Biegespannung (σ_r) in Radialrichtung und der Biegespannung (σ_t) in Umfangsrichung am größten ist, wobei diese Stelle (r_g) mit zunehmender Dicke (T₂) der ersten Befestigungsplatte (2) und zunehmender radialer Breite (r_l) des dickeren Membranabschnitts (12) in Radialrichtung weiter außen liegt.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Stelle (r_g) durch folgende Gleichung gegeben ist: wobei ξ und η Konstanten sind, die durch die Form der Halbleitermenbran (1) und der ersten Befestigungsplatte (2) bestimmt sind.

3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Befestigungsplatte (1, 2) zylindrisch und koaxial zueinander angeordnet sind, und daß die axiale Dicke (T₁) des dickeren Membranabschnitts (12) geringer ist als die axiale Dicke (T₂) der ersten Befestigungsplatte (2).

4. Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Dicke (T₁) des dickeren Membranabschnitts (12) durch die axiale Dicke (T₂) der ersten Befestigungsplatte (2), das Verhältnis (E₂/E₁) der longitudinalen Elastizitätsmoduli der ersten Befestigungsplatte (2) und der Halbleitermembran (1), die Außendurchmesser (2d₁, 2d₃) der ersten und der zweiten Befestigungsplatte (2, 3) und die radiale Breite (r_l) des dickeren Membranabschnitts (12) bestimmt ist.

5. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Dicke (T₁) durch folgende Gleichung bestimmt ist: wobei α und β Materialkonstanten sind, die durch die Poisson- Konstante und die Form der ersten Befestigungsplatte (2) bzw. der Halbleitermembran (1) bestimmt sind.

6. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermembran (1) aus Silicium besteht.

7. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der longitudinale Elastizitätsmodul (E₂) der ersten Befestigungsplatte (2) kleiner ist als derjenige (E₁) der Halbleitermembran (1).