DE4108989C2

DE4108989C2 - Integrierter Multisensor zum Erfassen eines statischen und eines Differenzdruckes

Info

Publication number: DE4108989C2
Application number: DE4108989A
Authority: DE
Inventors: Seiichi Ugai; Satoshi Shimada; Tomoyuki Tobita; Akira Sase
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2011-03-20
Also published as: CN1028447C; DE4108989A1; CN1055060A; US5259248A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen integrierten Multisensor, der bei einem Druck- und einem Differenzdruck-Übertrager zum Erfassen eines Durchflusses oder einer Durchflußmenge oder eines Drucks bei einer chemischen Anlage oder ähnlichem verwendet wird, und bei dem die Eigenschaft eines Sensors für statischen Druck bei einer Differenzdrucklast verbessert ist, und betrifft auch einen Differenzdruck-Übertrager und eine Regelungseinrichtung für eine vorbestimmte Durchflußmenge m einer Rohrleitung, die einen derartigen integrierten Multisensor verwenden.

Bei dem herkömmlichen Sensor, der in einem Erfassungsteil eines intelligenten Differentialdruck-Übertragers verwendet wird, sind Sensoren für einen Differenzdruck, einen statischen Druck und eine Temperatur auf einem Substrat vorgesehen, und die drei Sensorarten kompensieren sich gegenseitig, um einen Differenzdruck mit hoher Präzision zu messen. Beispielsweise ist in dem US-Patent 4 530 244 eine Struktur vorgeschlagen worden, bei der ein Sensor zum Erfassen der Einflüsse der Temperatur und des statischen Drucks an einem Abschnitt großer Stärke des Substrats und ein Sensor zum Erfassen eines Differenzdrucks an einer Membran vorgesehen ist. Auch in der JP-B-62-22 272 ist die Kombination eines Sensors zum Entfernen des Einflusses eines Sensors für statischen Druck und eines Sensors für einen Differenzdruck offenbart, aber der Einfluß des Differenzdrucks, der auf den Sensor für statischen Druck einwirkt, ist nicht diskutiert. Es ist nämlich bekannt, daß bei dem herkömmlichen integrierten Multisensor die jeweiligen Ausgänge dieser Sensoren sich gegenseitig beeinflussen können.

Der herkömmliche Differenzdruck-Übertrager bestimmt eine Druckdifferenz oder einen Differenzdruck ΔP, wenn eine Flüssigkeit, die durch eine Druckpumpe übertragen wird, durch eine Öffnung geht, die in einem Rohr einer chemischen Anlage oder ähnlichem vorgesehen ist, wodurch die Quantität des Durchflusses Q gemäß der folgenden Gleichung erfaßt wird:

wobei k eine Konstante ist, die durch die Reynoldsche Zahl und den Durchmesser der Öffnung bestimmt ist. Oben ist erwähnt, daß der Ausgang eines Differenzdrucksensors durch den statischen Druck P_s und die Temperatur T beeinflußt ist. Deshalb verursacht bei der Messung der Durchflußmenge der statische Druck P_s, der auf das Rohr ausgeübt wird, und ein Wechsel der Umgebungstemperatur eine Störung auf den integrierten Multisensor, und daher sollten diese Einflüsse möglichst vollständig entfernt sein.

Bei einem Differenzdruck-Übertrager, der den herkömmlichen integrierten Multisensor verwendet, werden statischer Druck, eine Temperatur und ein Differenzdruck durch einzelne Sensoren erfaßt. Oben ist erwähnt, daß jeder Sensor eine entsprechende Veränderung erfaßt, die die anderen Veränderungen auf addierte Weise enthält. Deshalb wird ein kompliziertes Korrekturverfahren ausgeführt, um die Einflüsse der anderen Veränderungen zu entfernen.

Auch gibt es in dem Fall, wo eine Differenzdruck-Erfassungsmembran und eine Membran, die einen statischen Druck erfaßt, in einem Halbleitersubstrat vorgesehen sind, das Problem, daß der Abstand zwischen beiden Membranen eng wird (während eines Ätzprozesses), wodurch die Haftungslänge gegenüber einer befestigenden Basis abnimmt, die das Halbleitersubstrat trägt.

Weiterhin gibt es in dem Fall, wo eine Differenzdruck-Erfassungsmembran mit einer zentralen steifen Platte durch Anwenden eines anisotropen Ätzens gebildet ist, das Problem, daß ein viereckiger zentraler steifer Körper, der von <111< Seiten umgeben ist, am leichtesten ausgebildet wird, mit dem Ergebnis, daß die Belastung an jedem Kantenabschnitt konzentriert ist, wodurch die Druckbeständigkeit (Spannfähigkeit) abnimmt.

Darüber hinaus gibt es, wenn eine Differenzdruck-Erfassungsmembran und eine Membran, die einen statischen Druck erfaßt, die gleiche Plattendicke aufweisen, das Problem, daß, wenn die Größe des Halbleitersubstrats klein gemacht werden muß, die den statischen Druck erfassende Membran zu klein wird, wodurch es schwierig wird, einen Meßwiderstand bzw. Meßwiderstände an dieser Membran anzuordnen.

Aus der US-PS 4 528 855 ist ein integrierter Multisensor mit mehreren Differenzdruck-Sensoren und einem Sensor für statischen Druck mit einem spannungsempfindlichen Meßelement, das auf einer Membran zum Erfassen des statischen Drucks separat von der Membran des Differenzdruck-Sensors angeordnet ist, bekannt. Eine Vielzahl von Differenzdruck-Membranen mit verschiedenen Durchmessern mit entsprechenden Differenzdruck-Sensoren sind vorgesehen, um verschiedene Empfindlichkeitsbereiche für Differenzdruckmessungen zu schaffen.

Aus der DE-OS 39 28 542 ist ein integrierter Multisensor mit einem Differenzdruck-Sensor und einem Sensor für statischen Druck mit einem spannungsempfindlichen Meßelement, das auf einem festen Abschnitt des Halbleitersubstrats angeordnet ist, bekannt. Durch zwei unterschiedliche Befestigungsplatten für das Halbleitersubstrat, deren longitudinale Elastizitätsmodule und lineare Ausdehnungskoeffizienten in bestimmten Größenverhältnissen zu den entsprechenden Eigenschaften des Halbleitersubstrats stehen, wird ein Signal für den statischen Druck mit hohem Pegel erhalten, ohne die gegenseitige Beeinflussung des statischen Drucksignals und des Differenzdrucksignals zu beeinträchtigen.

Aus der DE-OS 33 45 988 ist ein integrierter Multisensor mit einem Differenzdruck-Sensor und einem Temperaturerfassungssensor bekannt, der auf einem festen Abschnitt des Substrats angeordnet ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen integrierten Multisensor zu schaffen, bei dem der Einfluß eines Differenzdrucks, der auf den Sensor für statischen Druck beim Anlegen des Differenzdrucks einwirkt, entfernt wird, und einen intelligenten Differenzdruck-Übertrager zu schaffen, der einen solchen integrierten Multisensor verwendet, um das Erfassen eines Differenzdrucks mit befriedigender Präzision durch eine einfache Operation zu erlauben.

Ferner soll ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Multisensors geschaffen werden, das ein Bearbeiten einer Differenzdruck-Erfassungsmembran enthält, um ihre Plattendicke dünner zu machen als jene einer Membran, die einen statischen Druck erfaßt, ein Entwickeln des Verfahrens eines Ätzens oder Begrenzens der Unreinheitskonzentration eines Siliziumsubstrats, um die Erfassungspräzision eines integrierten Multisensors zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen integrierten Multisensor gemäß Ansprüchen 1 bis 14, und ein Verfahren gemäß Ansprüchen 15 und 16 gelöst.

In einem integrierten Multisensor mit einem Differenzdruck-Sensor und einem Sensor für statischen Druck, die auf dem gleichen Substrat gebildet sind, wird, wenn ein Differenzdruck angelegt wird, eine Belastung an den Sensor für statischen Druck angelegt, und zwar unter dem Einfluß des Differenzdrucks. In dem Fall, in dem der Sensor für statischen Druck nahe dem Differenzdruck-Sensor angeordnet ist, ist der an den Sensor für statischen Druck angelegte Druck abhängig von einer Beanspruchung, bezogen auf einen Abstand von dem Differenzdruck-Sensor. Wenn eine Mehrzahl von Sensoren für statischen Druck ohne Beachtung der obigen Beziehung vorgesehen werden, werden die Sensoren für statischen Druck Ausgänge erzeugen, die durch Differenzdrücke beeinflußt sind, die unterschiedliche Größen aufweisen. Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung ein statischer Druck mit einem Aufbau gemessen, bei dem Sensoren für statischen Druck so angeordnet sind, daß Beanspruchungen, die durch Differenzdrücke erzeugt sind, einander gleich werden, und die Sensoren für statischen Druck werden so geschaltet, daß der Einfluß der Differenzdrücke, die auf die Sensoren für statischen Druck einwirken, eliminiert wird. Jedoch folgt bei dem Aufbau, bei dem die Einflüsse der Differenzdrücke eliminiert werden, daß statische Drücke ähnlich gegeneinander kompensiert werden und keine Ausgangsspannung erhalten wird. Daher sind zwei Arten von Meßwiderständen vorgesehen, die einen Meßwiderstand enthalten, der an einem festen Abschnitt angeordnet ist, um einen statischen Druck unter Verwendung einer Differenz beim Elastizitätsmodul einer befestigenden Basis zu erfassen, und einen Meßwiderstand, der an einer Membran angeordnet ist, die einen statischen Druck erfaßt, um einen absoluten Druck zu erfassen, so daß ein statischer Druck unter Eliminierung des Einflusses des Differenzdrucks, unter Verwendung der Tatsache erfaßt wird, daß der Meßwiderstand, der an der Membran angeordnet ist, eine größere Widerstandsänderung aufweist als der Meßwiderstand, der an dem festen Abschnitt angeordnet ist, wo der statische Druck einwirkt.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten bzw. Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Zeichnung:

Fig. 1 ist ein systematisches Diagramm eines Anlagensystems, bei dem ein intelligenter Differenzdruck-Übertrager mit einem integrierten Multisensor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 ist eine Ansicht, die den Aufbau des gesamten intelligenten Differenzdruck-Übertragers zeigt;

Fig. 3A bis 3E sind Ansichten zum Erklären des Prinzips eines Verfahrens, das einen statischen Druck erfaßt, in einem integrierten Multisensor der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Kurve, die die Widerstandsänderungsraten von Meßelementen zeigt, die einen statischen Druck erfassen, wenn sich ein Differenzdruck ändert;

Fig. 5A bis 5C sind Ansichten, die den Aufbau eines gesamten Ausführungsbeispiels eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 6 ist eine Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 7 ist eine Ansicht zum Erklären eines weiteren Ausführungsbeispiels eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ist eine Ansicht zum Erklären eines Verfahrens zum Herstellen eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9A und 9B sind Ansichten, die ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 10A und 10B sind Ansichten, die ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 11 ist eine Kurve, die eine Beziehung zwischen der Störstellenkonzentration und der Ätzrate eines Sensorsubstrats zeigt;

Fig. 12 ist ein Blockdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13A und 13B sind Blockdiagramme zum Erfassen eines Differenzdrucks;

Fig. 14 ist eine Ansicht, die den Datenverarbeitungsfluß zeigt;

Fig. 15 ist eine Ansicht zum Erklären eines Differenzdrucks, der auf einen Sensor für statischen Druck der vorliegenden Erfindung einwirkt; und

Fig. 16 ist eine Kurve, die eine Beziehung zwischen der Position des Meßelementes für statischen Druck und der Belastung zeigt.

Es wird anhand der Fig. 1 bis 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erklärt.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines Rohrleitungssystems, in dem ein Durchflußmeßgerät eingebaut ist, das einen Differenzdruck-Übertrager verwendet.

Ein Differenzdruck ΔP, der zwischen entgegengesetzten Enden einer Öffnung 560 erzeugt wird, die in dem Verlauf einer Rohrleitung 550 einer chemischen Anlage oder ähnlichem vorgesehen ist, wird durch einen Differenzdruck-Übertrager 300 gemessen, um die Durchflußmenge in der Rohrleitung zu bestimmen, und ein Durchflußmengensignal wird zu einer Steuervorrichtung 500 übertragen. In der Steuervorrichtung 500 wird eine Pumpe zum Anlegen eines Drucks an ein Fluid in der Rohrleitung gemäß der gemessenen Durchflußmenge gesteuert, so daß eine geeignete Durchflußmenge geliefert wird. Ein Kommunikator 400 ist eine Eingabe/Ausgabevorrichtung, durch die eine Person die Zustände des Systems überwacht, um Instruktionen für die Änderung einer zu steuernden Größe zu geben.

Bei dem vorliegenden System kann, wenn ein Differenzdruck genau gemessen werden kann, die Präzision einer Erfassung der Durchflußmenge verbessert werden, und die Anlage kann effektiver betrieben werden.

Der Differenzdruck-Übertrager 300 hat einen Aufbau, wie in Fig. 2 gezeigt. In der Figur ist ein integrierter Multisensor 16 durch einen Differenzdruck-Sensor, einen Sensor für statischen Druck und einen Temperatursensor aufgebaut. Eine zentrale Membran 102 isoliert eine Hochdruckseite und eine Niedrigdruckseite voneinander. Abdichtmembrane 103a und 103b isolieren jeweils die äußere Umgebung und ein Druckübertragungsmedium (wie ein Silikonöl) in dem Übertrager voneinander und werden mit einem äußeren Druck beaufschlagt, und ein Übertragungskörper 104 kann aus SUS oder ähnlichem hergestellt sein. Weiterhin ist gezeigt: Druckeinführöffnungen 105a und 105b und eine Signalverarbeitungsschaltung 106, die Sensorausgänge verstärkt und eine Operation für eine Datenverarbeitung durchführt.

Somit enthält der Differenzdruck-Übertrager ein Druckaufnahmetor mit zwei Flüssigkeitskammern. Ein statischer Druck P_s, der von der Hochdruck- oder Niedrigdruckseite angelegt ist, ist größer als 100 at. Deshalb wird sogar in dem Fall, wo Drücke, die von der Hochdruckseite und der Niedrigdruckseite angelegt sind, zueinander gleich sind, ein sehr kleiner Differenzdruck erzeugt aufgrund einer Differenz in der Menge der Abdichtflüssigkeit zwischen den zwei Flüssigkeitskammern oder der Beeinträchtigung des Druckaufnahmeteils, wodurch der Ausgang des Differenzdrucksensors verändert wird. Diese Veränderung ist ein Fehler, der Einfluß eines statischen Drucks genannt wird, und ein Sensor zum unabhängigen Erfassen eines statischen Drucks ist notwendig, um den Einfluß des statischen Drucks zu entfernen. Bei dem herkömmlichen Sensor für statischen Druck wird jedoch der Sensor für statischen Druck selbst durch den Einfluß eines Differenzdrucks beeinflußt und es ist notwendig, den Einfluß des Differenzdrucks zu kompensieren. Da ein Sensor für statischen Druck oder ein Differenzdruck-Sensor leicht durch Temperaturänderungen beeinflußt wird, ist es weiterhin notwendig, eine Veränderung zu kompensieren, die durch die Temperaturänderungen verursacht ist. Daher wird ein Aufbau verwendet, wie in den Fig. 3A bis 3E gezeigt, der einen integrierten Multisensor realisiert, der einen genauen statischen Druck erfassen kann, während der Einfluß eines Differenzdrucks entfernt wird, der einem statischen Druck zugeführt ist und der den Differenzdruck durch eine einfache Verarbeitung bestimmen kann, wie es später beschrieben wird.

In der Fig. 3A erfaßt Meßwiderstand 6 den statischen Druck, der an der den statischen Druck messenden Membran 12 anliegt, und Meßwiderstand 5 den statischen Druck, der an einer befestigenden Basis und parallel zu dem Meßwiderstand 6 anliegt. In der Fig. 3E erfaßt Meßwiderstand 8 den statischen Druck, der an dem festen Abschnitt gebildet ist, ähnlich zu dem Meßwiderstand 5, aber er ist rechtwinklig zu dem Meßwiderstand 6 ausgerichtet. Jeder der Meßwiderstände 5 und 8 ist zu einer Differenzdruck-Erfassungsmembran 9 näher als der Meßwiderstand 6 angeordnet.

Wenn die Meßwiderstände 5 und 6 von der Differenzdruck-Membran 9 gleich beabstandet sind, wie in Fig. 15 gezeigt, wird eine Kraft F, die mit einer Differenzdrucklast verbunden ist, von einem Querschnitt A-A′ bei der Position des Meßwiderstands 5 und von einem Querschnitt B-B′ aufgenommen, der kleiner als der Querschnitt A-A′ ist, bei der Position des Meßwiderstands 6. Deshalb empfängt der Meßwiderstand 6 an der Membran, die einen statischen Druck erfaßt, eine große Belastung verglichen mit dem Meßwiderstand 5 an dem festen Abschnitt.

Eine Belastung, die auf einen Meßwiderstand einwirkt, hängt jedoch sehr stark von seiner Entfernung von der Differenzdruck-Membran ab, wie es in der Fig. 16 gezeigt ist. Wenn der Meßwiderstand 5 an dem festen Abschnitt der Differenzdruck-Erfassungsmembran näher ist als der Meßwiderstand 6 an der Membran, die den statischen Druck erfaßt, und zwar unter Verwendung der in Fig. 16 gezeigten Beziehung, so daß die Meßwiderstände 5 und 6 an Positionen angeordnet sind, die jeweils um r₁ und r₂ von der Differenzdruckmembran beabstandet sind und auf die die gleiche Belastung einwirkt, ist eine Änderungsrate des Widerstands, wie in Fig. 4 gezeigt, gegeben. In Fig. 4 zeigen die Widerstandswerte der Meßwiderstände 5 und 6 die gleiche Änderung mit dem gleichen Vorzeichen und der Widerstandswert des Meßwiderstands 8 zeigt eine Änderung mit einem Vorzeichen, das umgekehrt zu dem des Meßwiderstands 6 ist. Entsprechend wird der Einfluß des Differenzdrucks durch Verbinden der Meßwiderstände 5 und 6 in Serie mit einer Konstantstromquelle 24 eliminiert, wie in Fig. 3B gezeigt, um Spannungen V₂ und V₁ über den Meßwiderständen 5 und 6 zu errichten, und durch Verwenden eines Subtrahierers 25, wie in Fig. 3C gezeigt. Andererseits ist in dem Fall, in dem ein statischer Druck angelegt ist, eine Widerstandsänderung des Meßwiderstands 5 bemerkenswert klein, verglichen mit jener des Meßwiderstands 6. Deshalb wird, sogar wenn die Subtraktion durchgeführt ist, ein Ausgang aufgrund eines statischen Drucks erzeugt, der der Widerstandsänderung des Meßwiderstands 6 entspricht. Wenn der Meßwiderstand 5 in Fig. 3B durch den Meßwiderstand 8 ersetzt ist, der in der Fig. 3E gezeigt ist, zeigen V₁ und V₂ auch nach einem Anlegen eines Differenzdrucks Änderungen, die einander in der Größe gleich sind, aber zueinander ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen. Demgemäß kann in diesem Fall der Einfluß des Differenzdrucks eliminiert werden unter Verwendung eines Addierers 26, wie es in der Fig. 3D gezeigt ist.

Die obige Operation wird mathematisch erklärt. Der Sensor für statischen Druck ist aus den Meßwiderständen 5 und 6 zusammengesetzt, die verbunden sind, wie es in der Fig. 3B gezeigt ist. Wenn der Sensor für statischen Druck durch einen konstanten Strom I erregt wird, liefert der Sensor für statischen Druck einen Ausgang v, dargestellt durch

v=I · (R₅₀-R₆₀+ΔR₅-ΔR₆) (1)

wobei R₅₀ und R₆₀ Widerstandswerte darstellen, wenn ein Differentialdruck ΔP und ein statischer Druck P_s beide Null sind, und ΔR₅ und ΔR₆ Veränderungen darstellen, wenn der Differenzdruck und der statische Druck angelegt sind. Die Änderungsraten werden dargestellt durch

ΔR₅/R₅₀=g(x, P_s)+f(r, ΔP) (2)

ΔR₆/R₆₀=G(x′, P_s)+F(r′, ΔP) (3)

wobei r und r′ Entfernungen von der Mitte der Differenzdruck-Membran 9 zu den Mitten der Meßwiderstände 5 und 6 für statischen Druck darstellen und x und x′ Entfernungen zu den Meßwiderständen 5 und 6 von der Mitte einer Membran eines Sensors für statischen Druck darstellen. Der Grund, warum der erste Ausdruck g(x, P_s) für R₅ in der Gleichung (2) und der erste Ausdruck G(x′, P_s) für R₆ in der Gleichung (3) unterschiedlich sind, ist, daß R₅, der an dem festen Abschnitt angeordnet ist, ein Widerstand ist, der den statischen Druck erfaßt, der eine Differenz des Elastizitätsmoduls benutzt, und R₆, der an der Membran gebildet ist, die den statischen Druck erfaßt, ein Meßwiderstand ist, der den statischen Druck erfaßt, der einen absoluten Druck erfaßt. Es gibt eine Beziehung: g(x, P_s)«G(x′, P_s).

Wenn die Meßwiderstände 5 und 6 gebildet sind, um R₅₀=R₆₀ (=R₀) in den Gleichungen (2) und (3) zu genügen, und an Positionen von r=r₁ und r′=r₂ angeordnet sind, wie es in den Fig. 16 und 4 gezeigt ist, werden die zweiten Ausdrücke in den Gleichungen (2) und (3), die von dem Differenzdruck ΔP abhängen, eliminiert, da sie einander gleich sind. Danach kann die Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden:

Wie zuvor erwähnt, sind ∂g/∂P_s|P_s=0 und ∂G/∂P_s|P_s=0 für den statischen Druck P_s stark unterschiedlich zwischen dem Fall, daß der Meßwiderstand an der Membran angeordnet ist, die den statischen Druck erfaßt, und dem Fall, wo er an dem festen Abschnitt angeordnet ist. Wie oben erwähnt, werden die zweiten Ausdrücke in der Gleichung (2), (3), die Ausdrücke f(R, ΔP) und F(r′, ΔP) für einen Differenzdruck-Einfluß sind, entfernt unter Zurücklassen von Ausdrücken für einen Einfluß eines statischen Drucks, wie es durch die Gleichung (5) gezeigt ist. Als Ergebnis ist es möglich, einen Sensor für statischen Druck zu bauen, der frei von dem Einfluß des Differenzdrucks ist. Als nächstes wird der genaue Aufbau des oben erwähnten integrierten Multisensors anhand der Fig. 5A bis 5C erklärt.

Fig. 5A ist eine Draufsicht des integrierten Multisensors und Fig. 5B ist ein Querschnitt entlang einer Linie VB-VB in Fig. 5A. Auch Fig. 5C zeigt ein Beispiel einer Schaltung, wenn der oben erwähnte Sensor für statischen Druck und ein Differenzdruck-Sensor verbunden sind. In Fig. 5A sind Meßwiderstände 1 bis 4, die einen Differenzdruck erfassen, durch Dotieren eines Halbleitersubstrats 10 aus monokristallinem Silizium mit einer Beimischung durch eine Ionimplantation oder thermische Diffusion gebildet. Diese Meßwiderstände 1 bis 4 sind in dem Bereich einer Membran 9 gebildet, die durch alkalisches Ätzen oder Trockenätzen hergestellt ist. Meßwiderstände, die einen statischen Druck erfassen, sind mit 5 bis 8 bezeichnet. Der Meßwiderstand 6 ist an einer Membran 12a gebildet, die einen statischen Druck erfaßt, und der Meßwiderstand 7 ist an einer Membran 12b gebildet, die einen statischen Druck erfaßt, die getrennt von der Membran 12a vorgesehen ist. Wenn ein Differenzdruck angelegt ist, werden bei den Meßwiderständen 6 und 7 eine Biege- und eine Streckbelastung erzeugt. Die Meßwiderstände 5 und 8 sind an Positionen gebildet, wo eine Streckbelastung eine Größe aufweist, die gleich den Belastungen ist, die bei den Meßwiderständen 6 und 7 erzeugt werden. Der Meßwiderstand 30 ist ein Temperaturmeßelement, das an einem festen Abschnitt angeordnet ist. Darüber hinaus ist das Temperaturmeßelement 30 in einer Richtung <100< angeordnet, die unempfindlich gegenüber irgendeiner Belastung ist. Elektrodenanschlüsse sind mit 13a bis 13f bezeichnet. Nachdem eine Schaltung wie in Fig. 5C gezeigt hergestellt worden ist, wird eine konstante Spannung zwischen den Elektrodenanschlüssen 13a und 13b angelegt, so daß zwischen den Elektrodenanschlüssen 13c und 13d ein Differenzdruckausgang erhalten wird und zwischen den Elektrodenanschlüssen 13e und 13f ein statischer Druck erhalten wird. Eine in Fig. 5B gezeigte befestigende Basis 11 stützt das Halbleitersubstrat 10. Die befestigende Basis 11 ist aus Borsilikatglas hergestellt. In dem Fall, wo ein Differenzdruck an diesen integrierten Multisensor angelegt ist, zeigen die Widerstandswerte der Meßwiderstände 7 und 8 Änderungen, die einen gleichen Wert, aber ein umgekehrtes Vorzeichen gegenüber den Widerstandswerten der Meßwiderstände 5 und 6 aufweisen, wenn die Widerstandswerte der Meßwiderstände 5 und 6 erhöht werden, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Wenn eine Brückenschaltung, wie in Fig. 5C gezeigt, verwendet wird, ist es demgemäß möglich, einen Sensorausgang für einen statischen Druck zu erhalten, der keine Veränderung enthält, die durch den Differenzdruck induziert ist. Auch in dem Fall des herkömmlichen Sensors für statischen Druck, der eine Änderung beim Elastizitätsmodul verwendet, ist eine Änderung des Widerstandswertes des Sensors beim Anlegen eines statischen Drucks von etwa 100 at klein, wie etwa 0,5%. Da ein Sensor für statischen Druck vom Typ für absoluten Druck enthalten ist, ist es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch möglich, die Änderung beim Widerstandswert des Sensors bis zu 5% zu erhöhen, was etwa zehnmal so groß wie jener des herkömmlichen Sensors für statischen Druck ist. Die Empfindlichkeit des Sensors für statischen Druck des vorliegenden Ausführungsbeispiels gegenüber statischem Druck kann nämlich zu etwa einem Zehnfachen verbessert werden, verglichen mit dem herkömmlichen Sensor für statischen Druck, der eine Änderung beim Elastizitätsmodul verwendet.

Da es möglich ist, den Durchmesser der Membran, die den statischen Druck erfaßt, klein zu machen und der Einfluß eines Differenzdrucks, der auf den statischen Sensor einwirkt, eliminiert werden kann, um eine genaue Messung des Sensors für statischen Druck und des Differenzdrucks zu erlauben, kann gemäß dem obigen Aufbau ein Differenzdruck-Detektor realisiert werden, der eine kleine Größe und eine hohe Präzision aufweist.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist nur eine Sensormembran 12 für statischen Druck vorgesehen, Meßwiderstände 6 und 7, die einen statischen Druck erfassen, sind in der gleichen Richtung in der Membran 12, die einen statischen Druck erfaßt, vorgesehen, und Meßwiderstände 5 und 8 sind an einem festen Abschnitt vorgesehen, so daß sie näher der Mittellinie l₁ einer Membran 9, die einen Differenzdruck erfaßt, positioniert sind, als die Meßwiderstände 6 und 7. Ein Ausgang für statischen Druck dieser Meßwiderstände wird zwischen Elektrodenanschlüssen 13f und 13e durch Anlegen einer Spannung zwischen Elektrodenanschlüssen 13a und 13b erhalten. Mit einem derartigen Aufbau werden, da eine Membran für einen statischen Druck ausreicht, das Arbeiten und Verdrahten vereinfacht, verglichen mit dem in den Fig. 5A bis 5C gezeigten Ausführungsbeispiel, wodurch es möglich gemacht wird, einen Sensor geringer Größe zu schaffen.

Bei der vorangehenden Erklärung des integrierten Multisensors ist kein Temperatursensor erklärt worden, wie bei dem Beispiel der Fig. 5A bis 5C. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und auch bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5A bis 5C ist jedoch ein Meßwiderstand, der ausschließlich zum Messen einer Änderung eines Widerstandswertes benutzt wird, der durch eine Temperaturänderung verursacht wird, auf dem Halbleitersubstrat 10 angeordnet.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Meßwiderstände 5 bis 8, die einen statischen Druck erfassen, sind in einer Richtung <110< relativ zu einer Membran 9 angeordnet, die einen Differentialdruck erfaßt. Mit einem derartigen Aufbau wirkt eine Belastung σ basierend auf einer Differenzdrucklast auf die Meßwiderstände 5 bis 8 in einer schrägen Richtung von 45° ein. Eine Änderung des Widerstands eines Meßelementes ist durch die folgende Gleichung gegeben:

wobei π_l einen Piezokoeffizienten in einer Längsrichtung darstellt, π_t einen Piezokoeffizienten in einer transversalen Richtung darstellt, σ_l eine Belastung in Längsrichtung darstellt und σ_t eine Belastung einer transversalen Richtung darstellt. In dem Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels, bei dem die Meßgeräte in einer Richtung <10< angeordnet sind,

Dann ist die obige Gleichung auf ΔR/R=0 reduziert. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann daher der Einfluß einer Differenzdrucklast auf einen Sensor für statischen Druck eliminiert werden.

In dem Fall, in dem die Membranen 12a und 12b, die einen statischen Druck erfassen, in der Nähe der Seiten einer Membran 9 vorgesehen sind, die einen Differenzdruck erfaßt, wie in Fig. 7 gezeigt, wird der Abstand d′ zwischen den Membranen 9 und 12 während einer Ätzarbeit klein, da die Ätzrate in der <100<-Richtung so hoch ist, wie jene in Dickenrichtung. Hierdurch wird die Klebelänge verringert, so daß die Festigkeit schlechter wird. Auch Dickeveränderungen zwischen Chips in einem Plättchen werden groß in Abhängigkeit von der Zusammensetzungsverteilung einer Ätzlösung.

Daher wird bei der vorliegenden Erfindung ein Arbeiten, wie in Fig. 8 gezeigt, ausgeführt. Die Membranen 12a und 12b, die einen statischen Druck erfassen, werden nämlich den <110<-ausgerichteten Seiten einer Membran 9 nächstliegend angeordnet, die einen Differenzdruck erfaßt, wobei die Membran durch anisotropisches Ätzen gebildet wird. Mit einer derartigen Anordnung kann ein Abstand d′ zwischen der Membran 9, die den Differenzdruck erfaßt, und den Membranen 12a und 12b, die den statischen Druck erfassen, durch ein Ätzen mit hoher Präzision hergestellt werden. Demgemäß kann die Klebefläche zu der in Fig. 5 gezeigten befestigenden Basis 11 konstant gehalten werden, wodurch die Ausbeute verbessert wird.

Fig. 9A zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Membran 9, die einen Differenzdruck erfaßt, mit einer zentralen steifen Platte 14 geschaffen, die eine Dicke aufweist, die im wesentlichen gleich der Dicke eines Chips ist. Darüber hinaus sind die Membranen 9, 12a und 12b durch ein anisotropes Ätzverfahren dünn gemacht, und die zentrale steife Platte 14 ist in einem Oktogon ausgebildet. In dem Fall, wo ein anisotropes Ätzen durchgeführt ist, wird eine quadratische zentrale steife Platte, umgeben von <111< Seiten, wie in Fig. 9B gezeigt, sehr leicht gebildet. Aufgrund des Entwurfs einer Ätzmaske kann jedoch eine zentrale Platte mit dem Aufbau eines Polygons gebildet werden, das nicht weniger gewinkelt ist als ein Oktogon in dem Fall eines Plättchens mit einer {100}-Ebene und nicht weniger als ein Hexagon in dem Fall eines Plättchens mit einer {110}-Ebene. Durch eine solche Ausbildung des zentralen steifen Körpers als Polygon, das nicht weniger als ein Hexagon gewinkelt ist, kann die Konzentration einer Belastung an jedem Kantenabschnitt reduziert werden, verglichen mit einer viereckigen zentralen steifen Platte, wodurch die Druckbeständigkeit verbessert wird.

Fig. 10A ist eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines integrierten Multisensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 10B ist ein Querschnitt entlang der Linie XB-XB in Fig. 10A. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Membran 9, die einen Differenzdruck erfaßt, auf solche Art dünn gemacht, daß die Membran 9 von ihrer oberen Oberfläche aus geätzt ist, um einen Bereich (oder Steg) zu lassen, der Differenzdruck-Meßelemente 1, 4 und 2, 3 miteinander verbindet. Die Empfindlichkeit eines Sensors wird im wesentlichen durch (Fläche der Membran)/(Plattendicke des verdünnten Abschnitts)² bestimmt. Daher steigt die Empfindlichkeit des Differenzdrucksensors, wenn die in den Fig. 10A und 10B gezeigte Struktur angewandt wird. Deshalb wird die Membranfläche klein. Durch Benutzen der Stegstruktur kann weiterhin die Nichtlinearität des Differenzdrucksensors verringert werden.

Wenn ein isotropes nasses Ätzen für das Ätzen von der oberen Oberfläche aus verwendet wird, können die obere und untere Oberfläche gleichzeitig geätzt werden, wodurch die Bearbeitungszeit verkürzt wird. Zusätzlich werden Kantenabschnitte nach einem anisotropen Ätzen durch das isotrope Ätzen abgerundet, wodurch die Druckbeständigkeit verbessert wird.

Fig. 11 zeigt eine Beziehung zwischen der Störstellenkonzentration wie eine Borkonzentration eines Substrats und der Ätzrate in dem Fall, in dem ein monokristallines Silizium mit einer {100}-Fläche anisotrop geätzt wird. Es ist aus Fig. 11 offensichtlich, daß, wenn die Störstellenkonzentration nicht größer als 10¹⁸/cm³ ist, ein Ätzen hoher Geschwindigkeit erreicht werden kann, wodurch die Zeit zum Herstellen eines Sensors verkürzt wird.

Der oben beschriebene integrierte Multisensor ist in dem in Fig. 2 gezeigten Differenzdruck-Übertrager enthalten, und eine Datenverarbeitung wird durch die Signalverarbeitungsschaltung 106 durchgeführt, um die Durchflußmenge zu messen. Das gemessene Durchflußmengensignal wird zu der in Fig. 1 gezeigten Steuervorrichtung 500 übertragen.

Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm der Signalverarbeitungsschaltung 106. Ein integrierter Multisensor 16 gibt Änderungen beim Meßwiderstand aus, abhängig von einem Differenzdruck, einem statischen Druck und einer Temperatur, und diese Ausgänge werden selektiv in einen Multiplexer 17 genommen und durch einen programmierbaren Verstärker 18 verstärkt. Als nächstes wird ein Ausgang des Verstärkers 18 durch einen A/D-Wandler 19 in ein Digitalsignal gewandelt, das in Folge zu einem Mikroprozessor 21 gesendet wird. Die Charakteristiken der Sensoren für den Differenzdruck, den statischen Druck und die Temperatur werden vorab in einem Speicher 20 gespeichert. Der Mikroprozessor 21 korrigiert die Sensorausgänge unter Verwendung jener Daten, um einen Differenzdruck mit einer hohen Präzision zu erfassen. Ein Ausgang des Mikroprozessors 21 wird durch einen D/A-Wandler 22 in ein Analogsignal gewandelt, das in Folge zu der Steuervorrichtung 500 durch einen Spannungs-/Stromwandler 23 ausgegeben wird.

Ein charakteristischer Teil des obigen Aufbaus ist der Speicher 20 und der Mikroprozessor 21, der im nachfolgenden beschrieben wird. Die Kennlinien der Sensoren für den Differenzdruck, den statischen Druck und die Temperatur werden vorläufig als Kennlinienfeld in den Speicher 20 gespeichert. Das Kennlinienfeld stellt einen Differenzdruck-Sensorausgang E_d, einen Sensorausgang E_s für statischen Druck und einen Sensorausgang E_t für eine Temperatur dreidimensional dar. Der Mikroprozessor 21 führt eine Verarbeitung in Übereinstimmung mit einem in Fig. 13A gezeigten Verfahren durch. Ein statischer Druck wird nämlich von einem Widerstand des Meßelementes für statischen Druck erhalten, der an der Membran und dem oben erwähnten festen Abschnitt gebildet ist. Als nächstes wird ein genauer statischer Druck durch einen Block 202 aus dem Ausgang eines Sensors für statischen Druck und dem Ausgang eines Temperatursensors mittels der Korrekturkarte bestimmt und der Ausgang eines Differenzdrucksensors wird durch Verwenden des bestimmten statischen Drucks korrigiert. Als nächstes wird dieser korrigierte Differenzdruck-Sensorausgang in einem Block 203 mittels des Kennlinienfeldes temperatur-korrigiert, wodurch ein genauer Differenzdruckausgang erhalten wird. Bei dem herkömmlichen integrierten Multisensor ist es, da der Ausgang des statischen Drucks den Einfluß des Differenzdrucks in starker Abhängigkeit enthält, schwierig, eine genaue Korrekturkarte herzustellen. Daher ist ein kompliziertes Verarbeiten, wie in Fig. 13B gezeigt, notwendig, um den Einfluß des Differenzdrucks zu entfernen (d. h. um den Einfluß eines Differenzdrucks zu korrigieren, der auf einen Sensor für statischen Druck einwirkt). Andererseits wird bei der vorliegenden Erfindung eine Verarbeitung vereinfacht, da nur ein statischer Druck im wesentlichen herausgezogen werden kann. Ein Druckübertrager, der bei dem Stand der Technik vorgesehen ist, ist nicht notwendig, weil ein statisches Signal genau in einem Durchflußsteuerungssystem der vorliegenden Erfindung ausgegeben wird, gezeigt in Fig. 13A. Seine Funktion ist nämlich in einem Differenzdruck-Übertrager vorgesehen. Ein Flußdiagramm der Korrektur wird in Fig. 14 gezeigt. Zuerst werden im Schritt S₁ der Ausgang E_s eines Sensors für statischen Druck und der Ausgang E_t eines Temperatursensors gelesen. Als nächstes wird im Schritt S₂ der Wert E_kd eines Einflusses auf den Sensor für statischen Druck bestimmt. Danach wird im Schritt S₃ der Ausgang E_d eines Differentialdrucksensors gelesen. Als nächstes werden der Einflußwert E_kd, der im Schritt S₂ bestimmt ist, und der Temperatursensorausgang E_t von dem Differenzdruck-Sensorausgang E_d subtrahiert, um einen genauen Differenzdruck-Ausgang E_d′ zu bestimmen (Schritte S₄ und S₅).

Wie aus dem vorangehenden offensichtlich ist, bewirkt die Verwendung eines Differenzdruck-Übertragers gemäß der vorliegenden Erfindung, daß eine Operationsverarbeitung vereinfacht wird, ein genauer Differenzdruck erfaßt werden kann und ein Detektor geringen Ausmaßes für eine Durchflußerfassung bei einem Anlagensystem geschaffen werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Einfluß eines Differenzdrucks, der an einem Sensor für statischen Druck erscheint, auf etwa Null verringert werden. Daher wird die Kennlinienkorrektur für den Einfluß des Differenzdrucks unnötig und der Differenzdruck kann mit verbesserter Präzision gemessen werden. Weiterhin gibt es eine Wirkung, daß ein Korrekturverfahren für statischen Druck und Temperatur vereinfacht wird, und eine Verarbeitungszeit, die die Messung von Kennlinien betrifft, kann verkürzt werden, wodurch die Steuerbarkeit einer gesamten Anlage verbessert wird.

Weiterhin kann, wenn ein Sensorsubstrat-Bearbeitungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, die Bearbeitung mit einer hohen Präzision ausgeführt werden, wodurch es möglich gemacht wird, die Erfassungspräzision eines Sensors zu verbessern.

Claims

1. Integrierter Multisensor mit Signalverarbeitungseinrichtung zum Erfassen eines statischen Druckes und eines Differenzdruckes mit
einem Differenzdrucksensor mit einem spannungsempfindlichen Meßelement (1 bis 4), das auf einer Membran (9) zum Erfassen des Differenzdruckes positioniert ist, welche in einem Substrat (10) gebildet ist,
mindestens einem ersten Sensor für statischen Druck mit einem spannungsempfindlichen Meßelement (6, 7), das auf einer Membran (12, 12a, 12b) zum Erfassen des statischen Druckes positioniert ist, welche separat von der Membran zum Erfassen des Differenzdruckes in dem Substrat gebildet ist,
mindestens einem zweiten Sensor für statischen Druck mit einem spannungsempfindlichen Meßelement (5, 8), das auf einem festen Abschnitt des Substrats (10) positioniert ist, und
einer Signalverarbeitungseinrichtung (106; Fig. 5C) zum Verarbeiten der Ausgangssignale des mindestens einen ersten Sensors für statischen Druck und des mindestens einen zweiten Sensors für statischen Druck, wobei das spannungsempfindliche Meßelement des ersten Sensors und das spannungsempfindliche Meßelement des zweiten Sensors zu der Membran zum Erfassen des Differenzdruckes derart positioniert sind, daß ein Signal eines statischen Drucks unabhängig vom Differenzdruck erhalten wird.

2. Integrierter Multisensor nach Anspruch 1 mit einem Temperaturerfassungssensor mit einem spannungsunempfindlichen Meßelement (30), das auf dem festen Abschnitt des Substrats (10) getrennt von dem Meßelement (5, 8) des zweiten Sensors für statischen Druck positioniert ist.

3. Integrierter Multisensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das spannungsempfindliche Meßelement (5, 8) des zweiten Sensors näher zu einer zentralen Linie der Membran (9) zum Erfassen des Differenzdruckes positioniert ist als das spannungsempfindliche Meßelement (6, 7) des ersten Sensors.

4. Integrierter Multisensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das spannungsempfindliche Meßelement (6, 7) des ersten Sensors und das spannungsempfindliche Meßelement (5, 8) des zweiten Sensors an Positionen angeordnet sind, an welchen die durch den Differenzdruck erzeugte Belastung auf die Meßelemente gleich ist.

5. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Dicke der Membran (9) zum Erfassen des Differenzdruckes im wesentlichen gleich der Dicke der Membran (12, 12a, 12b) zum Erfassen des statischen Druckes ist.

6. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die spannungsempfindlichen Meßelemente (1 bis 8) Piezowiderstandselemente sind.

7. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung eine Brückenschaltung ist.

8. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Membran (9) zum Erfassen des Differenzdrucks in dem Substrat (10) in Form eines Polygons ausgebildet ist, das nicht geringer gewinkelt ist als ein Hexagon, d. h. ein N-gon, bei dem N 6 ist.

9. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Substrat (10) aus monokristallinem Silizium besteht.

10. Integrierter Multisensor nach Anspruch 9, bei dem die Membran (12, 12a, 12b) zum Erfassen des statischen Druckes in einer <110<-Richtung von der Membran (9) zum Erfassen des Differenzdruckes positioniert ist.

11. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Membran (12, 12a, 12b) zum Erfassen des statischen Druckes auf einer diagonalen Linie des Substrats (10) angeordnet ist.

12. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (106) den Einfluß einer Temperaturveränderung auf das vom Differenzdruck unabhängige Signal des statischen Drucks durch Verwendung des Ausgangssignals des Temperaturerfassungssensors eliminiert und bei dem diese Signalverarbeitungseinrichtung den Einfluß einer Veränderung des statischen Drucks auf das Differenzdrucksignal durch Verwendung des korrigierten statischen Drucksignals eliminiert.

13. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Signalverarbeitungseinrichtung (106) einen Speicher (20), in dem eine Beziehung des statischen Drucks oder des Differenzdrucks mit einer Temperaturänderung als dreidimensionale Kartendaten aufgezeichnet sind, und einen Mikroprozessor (21) enthält, der ein Ausgangssignal des Multisensors (16) auf der Basis der in dem Speicher gespeicherten Daten verarbeitet.

14. Integrierter Multisensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Differenzdruck-Übertrager eingesetzt ist.

15. Verfahren zum Herstellen eines integrierten Multisensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 mit Membranen (9, 12, 12a, 12b) zum Erfassen eines statischen Drucks und eines Differenzdrucks, bei dem die Membranen durch anisotropes Ätzen eines monokristallinen Siliziumplättchens (10) mit einer {100}-Ebene gebildet werden und die Membran (12, 12a, 12b) zum Erfassen des statischen Drucks in einer <100<-Richtung von der Membran (9) zum Erfassen des Differenzdrucks positioniert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das monokristalline Siliziumplättchen (10) eine Störstellenkonzentration aufweist, die nicht größer als 2×10¹⁸/cm³ ist.