DE69700021T2

DE69700021T2 - Linearer Hochdruckwandler

Info

Publication number: DE69700021T2
Application number: DE69700021T
Authority: DE
Inventors: Hironobu Kariya-City Aichi-Pref 448 Baba; Masahito Kariya-City Aichi-Pref 448 Imai; Kazuyoshi Kariya-City Aichi-Pref 448 Nagase; Yukihiko Kariya-City Aichi-Pref 448 Tanizawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1997-02-19
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2017-02-20
Also published as: EP0793082A1; JPH09232595A; EP0793082B1; US5872315A; DE69700021D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckerfassungsvorrichtung zum Erfassen des Drucks von Hochdruckflüssigkeit oder dergleichen.

2. STAND DER TECHNIK

JP-B2-7-11461, JP-A-62-294930, US-A-4840067, US-A- 498686 schlagen eine Druckerfassungsvorrichtung zum Erfassen des Drucks von Hochdruckflüssigkeit vor. Die Druckerfassungsvorrichtung umfaßt ein Sensorelement mit einer Membran aus Metall und eine auf dem Sensorelement durch eine Glasschicht aufgebrachte Beanspruchungsmeßplatte. Die Beanspruchungsmeßplatte weist ein {110}-Siliziumsubstrat auf. Halbleiter-Beanspruchungsmeßstreifen (Diffusionsmeßstreifen) sind auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgebildet.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung studierten das Erzeugen von Beanspruchung in obengenannter Druckerfassungsvorrichtung und experimentierten damit.
Wie in Fig. 15A gezeigt, wird eine Beanspruchungsmeßplatte 3 durch eine Glasschicht auf eine Membran 2a eines Sensorelements 2 aufgebracht, und vier Beanspruchungsmeßstreifen sind auf der Beanspruchungsmeßplatte 3 ausgebildet, wie in der Figur durch schwarze fettgedruckte Striche gezeigt ist. Wird Druck auf die Membran 2a ausgeübt, wie in Fig. 15B gezeigt, stellt sich in der Mitte der Beanspruchungsmeßplatte 3 Zugspannung ein und Druckspannung stellt sich in deren Randbereich ein. Der Widerstand jedes Beanspruchungsmeßstreifens ändert sich in Anbhängigkeit von der Größe der Zugspannung bzw. der Druckspannung.
Die Beanspruchungsmeßstreifen bilden eine Brückenschaltung, von welcher ein Signal in Abhängigkeit von Änderungen des Widerstands der Beanspruchungsmeßstreifen ausgegeben wird. Ist die Größe der Zugspannung gleich der Größe der Druckspannung, weisen die Ausgabecharacteristiken der Brückenschaltung Linearität in Bezug auf die Änderungen der Widerstände der Beanspruchungsmeßstreifen auf.
Bei der in Fig. 15A und 15B gezeigten Druckerfassungsvorrichtung zeigen die Ausgabecharakteristiken der Brückenschaltung jedoch Nicht-Linearität an, da der absolute Wert der Zugspannung in der Mitte der Beanspruchungsmeßplatte 3 größer ist als der absolute Wert der Druckspannung in deren Randbereich.
Die Tendenz zur Nicht-Linearität der Ausgabecharakteristiken nimmt zu, wenn die Beanspruchungsmeßplatte 3 dick wird, die Membran 2 dick wird, oder der Durchmesser der Membran 2 groß wird. In diesen Fällen wird die Druckspannung gegenüber der Zugspannung klein, wie in Fig. 15C und 15D gezeigt ist.
Um die Linearität der Ausgabecharakteristiken in der in Fig. 15A und 15C gezeigten Beschaffenheit zu verwirklichen, müssen die Beanspruchungsmeßplatte 3 und die Membran 2a so dünn wie möglich sein. Andererseits müssen die Beanspruchungsmeßplatte 3 und die Membran 2a wiederum eine gewisse Stärke aufweisen. Es ist daher nicht effizient, die Beanspruchungsmeßplatte 3 und die Membran 2a dünn zu machen.
Weiterhin wird in der in Fig. 15A und 15C gezeigten Druckerfassungsvorrichtung Wärmebeanspruchung auf der Basis eines Unterschieds im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensorelement 2 und der Beanspruchungsmeßplatte 3 erzeugt, wodurch die Empfindlichkeit der Druckerfassungsvorrichtung beeinträchtigt wird. Auch wenn die Materialien des Sensorelements 2 und der Beanspruchungsmeßplatte 3 so gewählt werden, daß der Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten minimiert wird, ist es unmöglich, den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zu beseitigen. Daher wird die Beanspruchungsmeßplatte 3 dünn gemacht, damit die nachteilige Wirkung der Wärmebeanspruchung klein und die Empfindlichkeit verbessert wird. Da es jedoch unmöglich ist, die Beanspruchungsmeßplatte so dünn wie erwünscht zu machen, kann die nachteilige Wirkung der Wärmebeanspruchung nicht gänzlich beseitigt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obengenannten Probleme getätigt, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Druckerfassungsvorrichtung zu schaffen, welche beim Erfassen des ihr zugeführten Drucks genügend Linearität der Ausgabecharakteristiken aufweist. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die nachteilige Wirkung von Wärmebeanspruchung in der Druckerfassungsvorrichtung im wesentlichen zu beseitigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Druckerfassungsvorrichtung eine Membran auf, auf welche Druck ausgeübt wird, und ein Siliziumsubstrat auf der Membran. Das Siliziumsubstrat weist einen dünnen Abschnitt auf, der als Reaktion auf die Verschiebung der Membran verschoben wird. Der dünne Abschnitt weist eine Durchgangsöffnung zum Bestimmen einer Richtung auf, in welcher die Beanspruchung auftritt. Weiterhin werden auf dem dünnen Abschnitt ein erster und ein zweiter Diffusionsmeßstreifen ausgebildet, so daß sich die Widerstände des ersten und des zweiten Diffusionsmeßstreifens als Reaktion auf die Beanspruchung im dünnen Abschnitt in einer positiven bzw. einer negativen Richtung ändern.
Wird Druck auf die Membran aufgebracht, tritt Zugspannung an dem dünnen Abschnitt auf, so daß sich die Widerstände des ersten und des zweiten Diffusionsmeßstreifens ändern. Obwohl sich die Widerstände von Diffusionsmeßstreifen der in Fig. 15A und 15C gezeigten konventionellen Art als Reaktion auf Zugbeanspruchung und Druckbeanspruchung ändern, ändern sich die Widerstände des ersten und des zweiten Diffusionsmeßstreifens der vorliegenden Erfindung nur als Reaktion auf Zugbeanspruchung. Dies führt zu dem Ergebnis, daß die absoluten Größenwerte der Widerstandsän derungen der ersten und der zweiten Diffusionsmeßstreifen so eingestellt werden können, daß sie einander gleich sind, wodurch die Linearität der Ausgabecharakteristiken der Druckerfassungsvorrichtung verbessert werden kann.
Weiterhin wird es, da der dünne Abschnitt eine Durchgangsöffnung zum Bestimmen einer Richtung aufweist, in welcher die Beanspruchung an dem dünnen Abschnitt auftritt, einfach, den ersten und den zweiten Diffusionsmeßstreifen auf dem dünnen Abschnitt so vorzusehen, daß sich deren Widerstände in entgegengesetzten Richtungen ändern.
Das Siliziumsubstrat weist vorzugsweise eine (100)- Oberfläche auf, und der erste und zweite Diffusionsmeßstreifen sind auf dem {100}-Siliziumsubstrat derart ausgebildet, daß jeder Hauptstrom in < 110> -Richtung des Siliziumsubstrats fließt. Das Ergebnis ist, daß die Änderungsgrade des Widerstands des ersten und des zweiten Diffusionsmeßstreifens jeweils das Höchstmaß erreichen, wodurch die Empfindlichkeit der Druckerfassungsvorrichtung verbessert wird.
Vorzugsweise weist die Druckerfassungsvorrichtung Diffusionsleiter auf, welche auf dem dünnen Abschnitt ausgebildet sind und mit den Diffusionsmeßstreifen verbunden sind. Der Hauptstrom jedes Diffusionsleiters fließt im wesentlichen in < 100> -Richtung des Siliziumsubstrats. In diesem Fall wird die Änderung des Widerstands jedes Diffusionsleiters gering, weil die Piezowiderstandswirkung auf das (100)-Siliziumsubstrat in < 100> -Richtung minimal ist, wodurch die Linearität der Ausgabecharakteristiken weiter verbessert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jeder Diffusionsleiter eine quadratische Form auf, wodurch deren Widerstand gering wird und die Empfindlichkeit der Druckerfassungsvorrichtung verbessert wird.
Weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen, welche im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Querschnitts-Ansicht einer Druckerfassungsvorrichtung in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 2 zeigt eine fragmentartige perspektivische Querschnittsansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte der Druckerfassungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform;
Fig. 3A zeigt eine Draufsicht auf ein Siliziumsubstrat der Beanspruchungsmeßplatte in der ersten Ausführungsform;
Fig. 3B zeigt eine Querschnitts-Ansicht entlang einer Linie IIIB-IIIB in Fig. 3A des Siliziumsubstrats in der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf Diffusionsmeßstreifen und Diffusionsleiter, die auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet sind, in der ersten Ausführungsform;
Fig. 5 zeigt eine erklärende Ansicht zum Zweck der Erklärung der Erzeugung von Beanspruchung in Bezug auf die Stromrichtung, wenn ein Diffusionsmeßstreifen auf einem {100}-Siliziumsubstrat ausgebildet wird;
Fig. 6 ist eine elektrische Verbindung, die eine Wheatstone-Brückenschaltung bestehend aus den Diffusionsr meßstreifen zeigt;
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf ein Siliziumsubstrat einer Beanspruchungsmeßplatte mit einem dünnen Abschnitt und einer Durchgangsöffnung in einer abgeänderten Ausführungsform;
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf ein Siliziumsubstrat einer Beanspruchungsmeßplatte mit einem dünnen Abschnitt und vier Durchgangsöffnungen in einer abgeänderten Ausführungsform;
Fig. 9 ist eine Querschnitts-Ansicht eines Siliziumsubstrats einer Beanspruchungsmeßplatte mit einem dünnen Abschnitt in einer abgeänderten Ausführungsform;
Fig. 10 ist eine Querschnitts-Ansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte, die in Experimenten verwendet wurden, um das in Fig. 11 gezeigte Verhältnis zu erhalten;
Fig. 11 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen der Größenordnung von in der Mitte der Beanspruchungsmeßplatte erzeugter Beanspruchung und der Stärke der Glasbasis zeigt;
Fig. 12 ist eine fragmentartige perspektivische Querschnitts-Ansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte in der anderen Ausführungsform;
Fig. 13 ist eine fragmentartige perspektivische Querschnitts-Ansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte, die nicht beansprucht werden;
Fig. 14 ist eine fragmentartige perspektivische Querschnitts-Ansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte, die nicht beansprucht werden;
Fig. 15A ist eine perspektivische Querschnitts-Ansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß Stand der Technik;
Fig. 15B ist eine graphische Darstellung eines Verhältnisses zwischen Beanspruchung und einer Position der Beanspruchungsmeßplatte;
Fig. 15C ist eine perspektivische Querschnitts-Ansicht eines Sensorelements und einer Beanspruchungsmeßplatte einer Druckerfassungsvorrichtung gemäß. Stand der Technik;
Fig. 15D ist eine graphische Darstellung eines Verhältnisses zwischen Beanspruchung und einer Position der Beanspruchungsmeßplatte.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
In einer ersten Ausführungsform erfaßt eine Druckerfassungsvorrichtung den Druck von Treibstoff in einer Hochdruck-Treibstoffeinspritzvorrichtung, oder von Hoch druckflüssigkeit (10-200 MPa) wie z. B. Bremsflüssigkeit oder dergleichen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, weist die Druckerfassungsvorrichtung ein Metallgehäuse 1 und ein zylindrisches Sensorelement 2 auf, welches in das Gehäuse 1 eingeschoben ist und an einer Öffnung des Gehäuses 1 verschweißt ist. Das Sensorelement 2 besteht aus Metall mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten (Covar, 42-Legierung oder dergleichen, deren Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich dem von Silizium ist). Eine dünne Membran 2a zum Aufnehmen des Drucks ist in der Mitte der Oberfläche des Sensorelements 2 ausgebildet.
Auf der Oberfläche der Membran 2a ist eine Beanspruchungsmeßplatte 3 durch eine Glasschicht oder mittels eines harten Klebers oder dergleichen gebondet. Die Beanspruchungsmeßplatte 3 weist Diffusionsmeßstreifen zum Erfassen des auf die Membran 2a ausgeübten Drucks auf.
Ein ringförmiges Keramiksubstrat 7, welches eine Verstärkerschaltung zum Verstärken eines elektrischen Signals der Beanspruchungsmeßplatte 3 aufweist, befindet sich oben auf dem Gehäuse 1 derart, daß es die Beanspruchungsmeßplatte 3 umgibt. Das von der Verstärkerschaltung verstärkte elektrische Signal wird über einen Verbindungsstift 8 an die Außenseite der Druckerfassungsvorrichtung abgegeben. Die Verstärkerschaltung kann auf der Beanspruchungsmeßplatte 3 ausgebildet sein.
Ein Verbindungselement 9 aus Harz ist an dem Gehäuse 1 über eine O-förmigen Ring 10 mittels Verstemmen befestigt. Das Gehäuse 1 weist einen Gewindeabschnitt 1a auf, welcher mittels Verschraubung mit einem Druckmeßteil eines Meßobjekts zu verbinden ist.
Fig. 2 zeigt das Sensorelement 2 und die Beanspruchungsmeßplatte 3 in perspektivischem Querschnitt. Die Beanspruchungsmeßplatte 3 weist ein Siliziumsubstrat 31 und eine Glasbasis 32 auf. Das Siliziumsubstrat 31 wird mittels Anodenverbinden auf der Glasbasis 32 befestigt, welche auf der Membran 2a über eine Glasschicht 33 mit niedrigem Schmelzpunkt gebondet ist.
Das Siliziumsubstrat 31 ist ein n-type oder p-type {100}-Halbleitersubstrat vom n-Typ oder vom p-Typ (vom n- Typ in der Ausführungsform), wie in Fig. 3A und 3B gezeigt. Die Stärke des Siliziumsubstrats 31 liegt etwa in der Größenordnung von 0,2 mm - 0,6 mm, und die der Umgebung liegt etwa in der Größenordnung von 2 mm²- 5 mm².
Das Siliziumsubstrat 31 ist auf seiner Rückseite mittels anisotropischen Ätzens mit einer Ätzlösung auf Kaliumhydroxidbasis (KOH) so geätzt, daß es einen dünnen Abschnitt 311a bildet (dessen Stärke z. B. etwa 15-100 um beträgt). Die Seitenfläche des durch Ätzen gebildeten Siliziumsubstrats 31 bildet in etwa einen Winkel von 54,7º mit der Basis des Siliziumsubstrats 31, wie in Fig. 3B gezeigt.
Durchgangsöffnungen 312a sind auf der rechten und linken Seite des dünnen Abschnitts 311a ausgebildet, so daß der dünne Abschnitt 311a eine Balkenstruktur aufweist. Wird die Membran 2a verschoben, so bestimmt die Balkenstruktur die Richtung der in dem dünnen Abschnitt 311a erzeugten Zugbeanspruchung. Das heißt, wenn der Membran 2a des Sensorelements 2 Druck zugeführt wird (ein kreisförmiger gestrichelt gezeichneter Abschnitt in Fig. 3A), wird die Membran 2a derart gebogen, daß sie die Beanspruchung auf das Siliziumsubstrat 31 über die Glasbasis 32 abgibt, wobei auf der ganzen Oberfläche der Beanspruchungsmeßplatte 3 Zugbeanspruchung erzeugt wird. In diesem Fall wird, da die Beanspruchungsmeßplatte 3 Durchgangsöffnungen 312a aufweist, die Beanspruchung in Längsrichtung groß und vorherrschend im Vergleich zur Beanspruchung in seitlicher Richtung auf der Oberfläche des dünnen Abschnitts 311a.
Weiterhin sind, wie in Fig. 4 gezeigt, Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d vom p-Typ und Diffusionsleiter 5a bis 5h auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 31 mittels Verunreinigungs-Diffundierens ausgebildet. Es ist nicht erforderlich, daß die Verunreinigungskonzentration in den Diffu sionsmeßstreifen 4a bis 4d gleich der in den Diffusionsleitern 5a bis 5h ist. Die in Fig. 4 schraffierten Teile sind Aluminiumleiter.
Die Längsrichtung, d. h. die Richtung, in der ein Hauptstrom fließt (im folgenden Stromrichtung genannt), der Diffusionsmeßstreifen 4a und 4d ist parallel zur Längsrichtung (durch einen Pfeil in Fig. 4 angedeutet) des dünnen Abschnitts 311a. Andererseits ist die Stromrichtung der Diffusionsmeßstreifen 4b und 4c parallel zur seitlichen Richtung des dünnen Abschnitts 311a.
Wird ein streifenförmiger Diffusionsmeßstreifen wie in Fig. 5 gezeigt auf einem {100}-Siliziumsubstrat angebracht, wird die durch Piezowiderstandswirkung verursachte Widerstandsänderung Δρ/ρ durch die folgende Formel (1) ausgedrückt.
Δρ/ρ = π&sub1;σ&sub1; + πtσt + π1tσ1t + πnσn ..... (1)
wobei σ&sub1; eine Beanspruchung in Stromrichtung ist (die Längsrichtung des Diffusionsmeßstreifens), σt eine Beanspruchung auf der {100}-Fläche in einer zu σ&sub1; senkrechten Richtung ist, σ1t eine Schubbeanspruchung auf der (100)- Fläche ist, und σn eine Beanspruchung in normaler Richtung der {100}-Fläche ist.
Weiterhin werden π&sub1;, πt, π1t und πn durch die folgenden Formeln (2) ausgedrückt.
wobei ein Winkel zwischen der < 110> -Richtung des Siliziumsubstrats 31 und der Stromrichtung ist, und π&sub1;&sub1;, π&sub1;&sub2; und π&sub4;&sub4; Koeffizienten zur Darstellung der Piezowiderstandswirkung sind, welche sich als Reaktion auf den Leitungstyp des Diffusionsmeßstreifens und die darin enthaltene Verunreinigungskonzentration ändert.
Ist der Diffusionsmeßstreifen vom p-Typ, haben π&sub1;&sub1;, π&sub1;&sub2; und π&sub4;&sub4; folgende Beziehung: π&sub4;&sub4; » π&sub1;&sub1;, π&sub1;&sub2;. Daher kann D(/ρ durch die folgende Formel (3) unter Weglassung von π&sub1;&sub1; und π&sub1;&sub2; aus den Formeln (1) und (2) ausgedrückt werden.
Δ(/ρ = 2π&sub4;&sub4; · cos2 ( +45º) · sin2 ( +45º) · (σ&sub1;- σt)- 2π&sub4;&sub4; · cos( +45º) · sin ( +45º) · {-cos2 ( +45º) + sin2 ( +45º)} · σ1t..... (3)
Gemäß Formel (3) ist, wenn 0º, 90º, 180º oder 270º beträgt (d. h. wenn die Stromrichtung parallel zur < 110> - Richtung ist), Aρ/ρ am größten und wird durch folgende Formel (4) ausgedrückt.
Δρ/ρ = π&sub4;&sub4;(σ&sub1; - σt)/2 ..... (4)
Wenn 45º, 135º, 225º oder 315º ist (d. h. wenn die Stromrichtung parallel zur < 100> -Richtung ist), ist Aρ/( am kleinsten und wird durch folgende Formel (5) ausgedrückt.
Δρ/ρ = 0 ..... (5)
Deshalb kann, wenn die Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d so angeordnet werden, daß jede Stromrichtung der Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d parallel zur < 110> -Richtung ist, der Grad der durch die Piezowiderstandswirkung Δρ/( verursachten Widerstandsänderung den maximalen Wert erlangen.
Wie oben erwähnt, tritt die Zugbeanspruchung auf dem dünnen Abschnitt 311a in der in Fig. 4 durch einen Pfeil dargestellten Richtung auf. Die Hauptströme der Diffusionsr meßstreifen 4a und 4d fließen jeweils in der Beanspruchungsrichtung, in der die Zugbeanspruchung auftritt. Daher ist σ&sub1; größer als σt, wodurch jeder Grad der Widerstandsänderung der Diffusionsmeßstreifen 4a und 4d gemäß Formel (4) einen positiven Wert erhält. Im Gegensatz dazu ist, weil die Hauptströme der Diffusionsmeßstreifen 4b und 4c jeweils in der zur Beanspruchungsrichtung senkrechten Richtung fließen, σ&sub1; kleiner als σt. Deshalb erhält jeder Grad der Widerstandsänderung der Diffusionsmeßstreifen 4b und 4c einen negativen Wert. Folglich wird, wenn die Beanspruchung auftritt, der Widerstand der Diffusionsmeßstreifen 4a und 4d größer, während der Widerstand der Diffusionsmeßstreifen 4b und 4c kleiner wird.
Die Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d bilden eine in Fig. 6 gezeigte Wheatstone Brückenschaltung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung VBC als Reaktion auf den der Membran 2a zugeführten Druck. Die Ausgangsspannung VBc der Wheatstone Brückenschaltung kann durch folgende Formel (6) ausgedrückt werden, falls die Widerstände re und rf der Diffusionsleiter 5e und 5f klein genug sind, um unbeachtet zu bleiben.
VBC = (Rb' · Rc' - Ra' · Rd') · VAD/(Ra' + Rb') · (Rc' + Rd') ... (6)
Weiterhin werden Ra', Rb', Rc' und Rd' durch folgende Formeln ausgedrückt.
Ra' = Ra + ra&sub1;+ ra&sub2;
Rb' = Rb + rb&sub1; + rb&sub2;
Rc' = Rc + rc&sub1; + rc&sub2;
Rd' = Rd + rd&sub1; + rd&sub2;
wobei Ra bis Rd jeweils Widerstände der Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d darstellen und ra&sub1; bis rd&sub1; jeweils Widerstände der Diffusionsleiter 5a bis 5d sind. Weiterhin ist ra&sub2; ein Widerstand eines Abschnitts, an dem der Diffusionsleiter 5g mit dem Diffusionsmeßstreifen 4a verbunden ist, rb&sub2; ist ein Widerstand eines Abschnitts, an dem der Diffusionsleiter 5g mit dem Diffusionsmeßstreifen 4b verbunden ist, rc&sub2; ist ein Widerstand eines Abschnitts, an dem der Diffusionsleiter 5h mit dem Diffusionsmeßstreifen 4c verbunden ist, und rd&sub2; ist ein Widerstand eines Abschnitts, an dem der Diffusionsleiter 5h mit dem Diffusionsmeßstreifen 4d verbunden ist.
Im Fall daß Ra' bis Rd' jeweils auf R gesetzt werden, wenn kein Druck auf die Membran 2a ausgeübt wird, wird angenommen, daß die Werte der Änderung von Ra' bis Rd' als Reaktion auf die Druckänderung jeweils ΔRa', ΔRd', -ΔRb', -ΔRc' betragen. Alle Werte von ΔRa', ΔRd', ΔRb' und ΔRc' sind positive Werte. In diesem Fall haben ΔRa' bis ΔRd' und R folgende Beziehung: ΔRa' bis ΔRd' < < R. Die Ausgangsspannung VEC wird durch folgende Formel (7) ausgedrückt.
VBC = -(ΔRa' + ΔRd' + ΔRb' + ΔRc') · R · VAD / (2R + DRa' - ΔRb') · (2R + ΔRd' - ΔRc') ..... (7)
Ändern sich ΔRa' bis ΔRd' geradlinig mit Bezug auf die Druckänderung, zeigt der Zähler der Formel (7) Linearität an. Daher weist, wenn verwirklicht ist, daß ΔRb' = ΔRa' und ΔRC' = ΔRd', die Ausgangsspannung VBC Linearität mit Bezug auf die Druckänderung auf. Demgemäß werden auch die Werte der Widerstandsänderungen der Diffusionsmeßstreifen 4a und 4b gleich gesetzt, und die Werte der Widerstandsänderungen der Diffusionsmeßstreifen 4c und 4d werden ebenfalls gleich gesetzt, wodurch eine Verbesserung der Linearität der Ausgangsspannung VBC erfolgt.
In der obengenannten Beschaffenheit tritt, wenn der dünne Abschnitt 311a ohne Durchgangsöffnungen 312a ausgebildet ist, die Beanspruchung in seitlicher Richtung mit derselben Kraft wie in Längsrichtung auf, was auf die Symmetrie der Form zurückzuführen ist. Deshalb wird die Piezowiderstandswirkung ausgeglichen, so daß sich die Ausgangsspannung VBC nicht ändert.
In der Ausführungsform sind die Durchgangsöffnungen 312a so ausgebildet, daß sie den dünnen Abschnitt 311a in Balkenstruktur ausbilden, wodurch die Richtung, in der die Beanspruchung auftritt, bestimmt wird. Weiterhin wird die Richtung, in der sich die Widerstände der Diffusionsmeßstreifen 4a und 4d ändern, so eingestellt, daß sie entgegengesetzt der Richtung ist, in welcher sich die Widerstände der Diffusionsmeßstreifen 4b und 4c ändern. Folglich können die Diffusionsmeßstreifen den Druck erfassen.
Da die Diffusionsleiter 5a bis 5h jeweils quadratische Form haben, wie in Fig. 4 gezeigt, fließt der Strom in den Diffusionsleitern 5a bis 5h in die Richtung, in der ein Piezowiderstands-Koeffizient minimal wird, d. h. in der < 100 > -Richtung des Siliziumsubstrats. Demgemäß werden die Änderungen der Widerstände der Diffusionsleiter 5a bis 5b in Bezug auf die Beanspruchung im wesentlichen Null, wodurch sich eine Verbesserung der Linearität der Ausgangsspannung VBC ergibt.
Nur wenn der Strom in den Diffusionsleitern 5a bis 5h in der< 100> -Richtung fließt, wird die Linearität der Ausgangsspannung VBC verbessert. Daher beschränkt sich die Form der Diffusionsleiter 5a bis 5h nicht auf die quadratische Form, und gegebenenfalls können andere Formen auftreten. Es kann z. B. eine Streifenform, die parallel zur < 100> -Richtung des Siliziumsubstrats verläuft, verwendet werden. Der Diffusionsleiter von quadratischer Form hat jedoch geringen Widerstand im Vergleich zum Diffusionsleiter der Streifenform. Daher wird die Spannung, die dem Diffusionsmeßstreifen über den Diffusionsleiter mit quadratischer Form zugeführt wird, groß. Folglich kann die Empfindlichkeit des Sensors verbessert werden. Um die Linearität der Ausgangsspannung VBC zu verbessern, ist es nicht nötig, daß der Strom in den Diffusionsleitern genau in < 100> -Richtung fließt. Es kann akzeptiert werden, wenn der Strom im wesentlichen in < 100> -Richtung fließt.
Angesichts der Tatsache, daß der Strom in den Diffusionsleitern in < 100> -Richtung fließt, können die derart angeordneten Diffusionsleiter nicht nur im Drucksensor zum Erfassen hohen Drucks verwendet werden, sondern auch in einem Drucksensor zum Erfassen niedrigen Drucks oder in einem Beschleunigungssensor mit einem auf einem {100}-Siliziumsubstrat ausgebildeten Balken. Demgemäß kann die Linearität der Ausgangsspannung des Sensors verbessert werden. Im folgenden werden weitere Ausführungsformen mit einem dünnen Abschnitt beschrieben, der sich in der Form von der in der ersten Ausführungsform beschriebenen unterscheidet.
Obwohl der dünne Abschnitt 311a so ausgebildet ist, daß er in der ersten Ausführungsform zwei Durchgangsöffnungen 312a aufweist, kann ein dünner Abschnitt 311b ausgebildet werden, der nur eine Durchgangsöffnung 312b aufweist, wie in Fig. 7 gezeigt ist. In diesem Fall ist die Beanspruchung auf dem dünnen Abschnitt in Längsrichtung entlang der Durchgangsöffnung 312b an dem der Durchgangsöffnung 312b benachbarten Abschnitt vorherrschend. Je weiter der Abstand zur Durchgangsöffnung 312b an dem dünnen Abschnitt 311b wird, desto größer wird die Beanspruchung in seitlicher Richtung. Deshalb sind die Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d so nahe wie möglich an der Durchgangsöffnung 312b ausgebildet.
Weiterhin kann, wie in Fig. 8 gezeigt, ein dünner Abschnitt 311c so ausgebildet werden, daß er vier Durchgangsöffnungen 312c aufweist. In diesem Fall tritt die Beanspruchung nicht nur in Längsrichtung, sondern auch in seitlicher Richtung auf. In dieser Beschaffenheit mit einer Anordnung der Diffusionsmeßstreifen, die der der in Fig. 4 gezeigten ersten Ausführungsform entspricht, kann der Druck nicht erfaßt werden, weil jeder Widerstand der Diffusionsmeßstreifen sich in derselben Richtung ändert. Daher wird jeder Diffusionsmeßstreifen jeweils auf jedem Balken ausgebildet, so daß alle Längsrichtungen der Diffusionsmeßstreifen zueinander parallel sind. Folglich ändern sich die Widerstände der Diffusionsmeßstreifen 4a und 4d in entgegengesetzter Richtung zu der Richtung, in welcher sich die Widerstände der Diffusionsmeßstreifen 4b und 4c ändern, wodurch der Druck erfaßt werden kann.
In der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform biegt sich der dünne Abschnitt 311b, da er an drei Seiten gestützt wird, nicht leicht im Vergleich zu dem dünnen Abschnitt 311a der ersten Ausführungsform, der, wie in Fig. 3 gezeigt, nur an zwei Seiten gestützt wird. Daher ist die Empfindlichkeit des dünnen Abschnitts 311b geringer als die Empfindlichkeit der ersten Ausführungsform.
Weiterhin ist es bei der in Fig. 8 gezeigten weiteren Ausführungsform schwierig, jeden Diffusionsmeßstreifen zu verdrahten, weil die Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d auf den Balken dispersiv ausgebildet sind. Des weiteren wird die Empfindlichkeit herabgesetzt, wenn die Genauigkeit, mit der die vier Durchgangsöffnungen 312c bearbeitet werden, nicht ausreicht. Daher ist die Empfindlichkeit des dünnen Abschnitts 311a mit den in der ersten Ausführungsform gezeigten zwei Durchgangsöffnungen 312a die beste der drei obengenannten Ausführungsformen.
Wie in Fig. 9 gezeigt, kann die Empfindlichkeit hinsichtlich der Druckänderung verbessert werden, wenn ein dünner Abschnitt 311d in der Mitte ausgebildet wird, welche dünner ist als die Umgebung.
Im Falle der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, daß das Siliziumsubstrat 31 auf die Glasbasis 32 gebondet wird. Das Siliziumsubstrat 31 kann direkt auf das Sensorelement 2 ohne zwischengeschaltete Glasbasis 32 gebondet werden.
Im folgenden wird die Wärmebeanspruchung, die durch einen Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensorelement 2 und der Beanspruchungsmeßplatte 3 verursacht wird, erklärt. Die Erfinder studierten die Beziehung zwischen der Größe der auf der Oberfläche in der Mitte der Beanspruchungsmeßplatte 3 erzeugten Beanspruchung (Abgabe von Wärme) und der Stärke der Glasbasis 32 in einem Zustand, in dem die Beanspruchungsmeßplatte 3 erhitzt war ( ΔT = 100ºC). Die Stärke des Siliziumsubstrats 31 und die Stärke der Membran 2a betrugen jeweils 0,3 mm, wie in Fig. 10 gezeigt.
Das Ergebnis des Experiments ist in Fig. 11 gezeigt. Wie üblich wurde angenommen, daß Wärme abgegeben wird, auch wenn die Stärke der Glasbasis 32 sehr dick ist. Wie jedoch durch eine Kurve in Fig. 11 gezeigt ist, wurde festgestellt, daß bei einer bestimmten Stärke der Glasbasis die Wärmeabgabe Null wurde. Ist die Stärke der Glasbasis 32 dünner als diese bestimmte Stärke, wird die Zugspannung auf der Oberfläche der Beanspruchungsmeßplatte 3 als Reaktion auf die auf der Membran 2 erzeugte Zugbeanspruchung erzeugt. Ist die Stärke der Glasbasis 32 dicker als diese bestimmte Stärke, wird auf der Oberfläche der Beanspruchungsmeßplatte 3 Druckbeanspruchung anstatt Zugbeanspruchung erzeugt. Dies bedeutet, daß sich die Deformierungsart der Beanspruchungsmeßplatte 3 auf der Grundlage der Stärke der Glasbasis 32 ändert.
Je dicker die Stärke der Glasbasis 32 wird, desto geringer wird die Empfindlichkeit, wie durch die Kurve B in Fig. 11 gezeigt ist. Wird jedoch die Wärmeabgabe, die Geräusch erzeugt, Null, kann das Rauschverhältnis verbessert werden.
Variiert die Temperatur der Beanspruchungsmeßplatte 3 und des Sensorelements 2, ändert sich das Muster der Kurve A, aber die Stärke der Glasbasis 32, bei der die Wärmeabgabe Null wird, ändert sich nicht. Wird die Größe des Siliziumsubstrats 31 geändert, bewegt sich die Kurve A in Fig. 11 nach links oder nach rechts. Es ist daher notwendig, daß das Größenverhältnis des Siliziumsubstrats 31 und die Stärke der Glasbasis 32 passend gewählt werden, damit die Wärmeabgabe Null wird.
Um die Wärmeabgabe auf Null zu setzen kann, wie in Fig. 12 und 13 gezeigt, ein {110}-Siliziumsubstrat ohne dünnen Abschnitt (nicht beansprucht) und mit dünnem Abschnitt bei einer Druckerfassungsvorrichtung verwendet werden. Weiterhin kann, wie in Fig. 14 gezeigt, das {110}- Siliziumsubstrat 31 ohne dünnen Abschnitt (nicht beansprucht) direkt auf der Beanspruchungsmeßplatte 3 ohne Glasbasis 32 gebondet werden.
In den obengenannten Ausführungsformen können die Diffusionsmeßstreifen 4a bis 4d und die Diffusionsleiter 5a bis 5h vom n-Typ statt vom p-Typ sein.

Claims

1. Druckerfassungsvorrichtung mit:

einer Membran (2a), die als Reaktion auf einen darauf aufgebrachten Druck verschoben wird;

einem auf der Membran (2a) vorgesehenen Siliziumsubstrat (31) mit einem dünnen Abschnitt (311a-d), der als Reaktion auf die Verschiebung der Membran (2a) verschoben wird, um eine Beanspruchung zu erzeugen, wobei der dünne Abschnitt (311a-d) eine Durchgangsöffnung (312a-c) zum Bestimmen einer Richtung aufweist, in welcher die Beanspruchung auftritt;

einem ersten Diffusionsmeßstreifen (4a, d), der auf dem dünnen Abschnitt (311a-d) ausgebildet ist, so daß sich ein Widerstand des ersten Diffusionsmeßstreifens (4a, d) als Reaktion auf die Beanspruchung in einer positiven Richtung ändert; und

einem zweiten Diffusionsmeßstreifen (4b, c), der auf dem dünnen Abschnitt (311a-d) ausgebildet ist, so daß sich ein Widerstand des zweiten Diffusionsmeßstreifens (4b, c) als Reaktion auf die Beanspruchung in einer negativen Richtung ändert, wobei

der auf die Membran (2a) aufgebrachte Druck auf der Grundlage des Widerstandes des ersten und des zweiten Diffusionsmeßstreifens (4a-d) erfaßt wird.

2. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Größe einer Veränderung des Widerstandes des ersten Diffusionsmeßstreifens (4a, d) ungefähr gleich derjenigen des zweiten Diffusionsmeßstreifens (4b, c) ist.

3. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, welche des weiteren Diffusionsleiter (5a-h) aufweist, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Diffusionsmeßstreifen (4a-d) verbunden sind, um einen Ausgangswert von dem ersten bzw. dem zweiten Diffusionsmeßstreifen (4a-d) auszugeben, wobei

das Siliziumsubstrat (31) eine {100}-Kristallorientierung aufweist, und

der Hauptstrom jedes der Diffusionsleiter (5a-h) in der < 100> -Richtung des Siliziumsubstrates (31) fließt.

4. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Diffusionsleiter (5a-h) eine Quadratform aufweisen.

5. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der: das Siliziumsubstrat (31) eine {100}-Kristallorientierung aufweist, und

der Hauptstrom jedes der Diffusionsmeßstreifen (4a-d) in der < 110> -Richtung des Siliziumsubstrates (31) fließt.

6. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der dünne Abschnitt (311a-d) einen Balkenaufbau aufweist, und die Beanspruchung hauptsächlich in einer Längsrichtung des dünnen Abschnitts (311a-d) auftritt.

7. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der eine erste und zweite Durchgangsöffnung gegeben sind, so daß der dünne Abschnitt (311a-d) zwischen diesen ausgebildet ist.

8. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Siliziumsubstrat (31) eine {100}-Kristallorientierung aufweist, und die Längsrichtung des dünnen Abschnitts (311a-d) parallel zur < 110> -Richtung des Siliziumsubstrates (31) ist.

9. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Hauptstrom des ersten Diffusionsmeßstreifens (4a, d) in der Längsrichtung des dünnen Abschnitts (311a-d) fließt, und der Hauptstrom des zweiten Diffusionsmeßstreifens (4a-d) in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung fließt.

10. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der dünne Abschnitt (311a-d) eine Kreuzform mit vier Balken aufweist, und der erste und zweite Diffusionsmeßstreifen (4a-d) jeweils auf den Balken ausgebildet sind, so daß der Hauptstrom jedes der Diffusionsmeßstreifen jeweils parallel zueinander fließt.

11. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der der erste und der zweite Diffusionsmeßstreifen (4a-d) so ausgebildet sind, daß der Hauptstrom jedes der Diffusionsmeßstreifen parallel zur < 110> -Richtung des Siliziumsubstrates (31) fließt.