DE8804598U1

DE8804598U1 - Sensorelement

Info

Publication number: DE8804598U1
Application number: DE8804598U
Authority: DE
Original assignee: STS SENSOR TECHNIK SIRNACH AG SIRNACH CH
Current assignee: STS SENSOR TECHNIK SIRNACH AG SIRNACH CH
Priority date: 1988-04-07
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1988-05-19

Description

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Bezeichnung: SenSorelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Eensorelftment
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Halblejter-SeriEGren; inKbRsondare piezoresistive Sensoren, &zgr;*&Bgr;. piezcresistive Drucksensoren, sind bereits hinlanglicrh bekannt und haben sich in der Praxis bewährt. Kommerziell erhältliche piezöresistive Drücksensorer bestehen im wesentlichen aus einer Druckzelle, in deren Druckmessmembran eine Brückenschaltung aus Widerständen für die Druckmessung eindiffundiert, bzw, implantiert ist.

Um die Temperaturempfindlichkeit solcher pieioresistiver Drucksensoren zu verringern ist bereits eine "inhärente Kompensation" (intrinsically compensated- sensors) vorgeschlagen Korden, welche weiter unten näher erläutert wird· Die inhärente Kompensation ergibt zwar eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit der Empfindlichkeit, jedoch nur in einem begrenzten Temperaturbereich und nur bei Konst ants tr omspe &iacgr; süng. Ausserhalb dieses Temperaturbereiches verbleibt ein grosser Restfehleä,·&ldquor;

g Für eine Kompensation des Fehlers bei Spannungsspeisung, oder bei Stromspeisung sind eine Reihe von verschis»l^nen Lösungsansätzen bekannt geworden:

1} der Einsatz temperaturabhängiger Bauteile, z.B. Kalbleiterteniperatursensoren oder Thermistoren im Stromquellenpfad und parallel zur Brücke;

2) Methoden mit quantisiert abgespeicherten Kennlinien oder Korrektur f aktoren; und

3) Methoden mit mathematischer Formulierucg der Sensoreigenschaften, bzw. der Sensorfehler, z.B. mathematische Modelle.

Alle diese bekannnten Lösungsansätze sind mit gewichtigen Nachteilen verbunden.

Beim Einsatz temperaturabhängiger Bauteile, beispielsweise von Thermistoren, zur Kompensation des Restfehlers müssen diese den gleichen Temperaturen ausgesetzt werden, wie die Messzelle selbst. Dies muss gleichzeitig und verzögerungsfrei geschehen, um Temperaturgradientenfehler zu vermeiden.

Oa die Thermistoren zumindest teilweise auf die Elektronik (Stromquelle, Verstärker) einwirken müssen, ist diese Lösung oft nur dann realisierbar, wenn Sensor, Kompensation und Elektronik am gleichen Ort sind, z.B. als Hybrid im gleichen Gehäuse. Dabei reduziert sich der zulässige Temperaturbereich der Sensoren auf denjenigen der heikelsten elektronischen Bausteine.

Bei der Verwendung quantisiert abgespeicherter Kennlinien», z.B. gemäsa der EP-A2 0 169 414 kann der Drucksensor gleichzeitig als Temperatursensor benutzt werden, so dass die mit dem Thermistor geschilderten Probleme nicht auftreten. Der elektronische Aufwand ist jedoch erheblich und entsprechend teuer.

Auch beim mathematischen Modell kann der Drucksensor gleichzeitig als Temperatursensor benutzt werden. Diese Lösung bedingt den Einsatz eines Computers zur Signalverarbeitung und Fehlerkorrektur und ist deshalb ebenfalls sehr aufwendig und teuer.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung· liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiter-Sensorelement zu schaffen, welches mit einem einfachen Kompensationselement auskommt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmale gelöst. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß man mit einem einzigen temperaturunabhängigen Kompensationselement, nämlich einem ganz normalen, temperaturunabhängigen Widerstand auskommt.

Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 6 kann der Widerstand Rp auch quer zur Meßbrücke geschaltet werden. Dadurch ergeben sich für die Elektronik (Eingangs- und Ausgangsimpedanz des Sensors) andere Bedingungen. Die Kompensationswirkung wird jedoch nicht beeinflußt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird statt einer Vollbrücke, lediglich eine Halbbrücke mit dem Wideretand R_fi verwendet, welche so zu einer Wheatstonesehen Brücke ergänzt wird, daß zwei im wesentlichen temperaturunabhängige Kompansationswiderstände Rk zugeschaltet

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werden, so dass bei Stromspeisung der Gesamtwiderstand der Brücke den gleichen Wert TKR aufweist wie -TK(k). Die Halbleiter-Dotierung des Sensors wird unverändert so gewählt, dass die Beziehung |TKR| > |TK(k)| gilt.

Die Resultate der Temperaturkompensation der Empfindlichkeit dieses einfachen erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelementes sind ausgezeichnet. Die Vorteile hängen direkt mit der Breite des Temperaturbereiches zusammen, in welchem der Sensor eingesetzt wird. Im Vergleich zu einem stromgespiesenen "inhärent kompensierten" Sensor gemäss dem Stand der Technik (ohne Zusatzkompensation) beträgt die Verbesserung typischerweise Faktor 10 bei Temperaturen von -20° bis - 40°, ausgehend von 25 ⁰C. Im Vergleich zu e*.nem spannungsgespiesenen Halbleiter-Sensorelement gemäss dem Stand der Technik (ohne Kompensation mit temperaturabhängigen Bauteilen oder Schaltungen) ist die Wirkung noch weit besser: Ober einen Temperaturbereich von 100⁰C ist beim erfindungsgemäsaen Halbleiter-Sensorelement die Empfindlichkeitsveränderung vernachlässigbar, gegenüber typischen 20 %. Die weiteren Vorteile der externen Kompensation beim erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelement sind vielfältig:

- Der optimale Bereich erstreckt sich über fast den ganzen möglichen Temperatureinsatzbereich.

FQr eine Veränderung der Lage des optimalen Bereiches müssen keine Aenderungen am Halbleiter vorgenommen werden, es genügt, den Kompensationswiderstand zu Andern.

- Der Kompensationswiderstand ist ein Festwiderstand mit kleinem Temperaturkoeffizienten.

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Weder der Wert des Kompensationswiderstandes noch dessen TK

^: müssen unüblioh eng toleriert werden.

Da der Kompensationswiderstand nicht temperaturabhängig ist kann er sowohl beim Sensor als auch in der Elektronik eingebaut werden. Falls in der Elektronik eingebaut, wird die mögliche grosse Distanz zwischen Sensor und Elektronik nicht eingeschränkt. Vorteilhaft ist auch, dass keine zusätzlichen Anschlusskabel erforderlich sind. Falls beim Sense eingebaut, beschränkt der Kompensationswiderstand als unheikles Element den Temperatureinsatzbereich des Sensors nicht.

Die Kompensation ist sehr einfach und billig. - Die Kompensation beeinträchtigt weitere, z.B. anwenderseitige

ä Kompensationen (NP,TKNP) nicht.

- Der Widerstandwert Sp für Stromspeisung ist genau gleich gross wie der Widerstandswert Rs für Spannungsspeisung. Das erfindungsgemässe Halbleiter-Sensorelement gestattet es somit die* gleich guten Resultate zu erzielen, ob eine z.B. vorhandene Stromspeisung, oder ob eine Spannungsspeisung gewählt wird.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den anhand der Zeichnungen näher erläuterten Au*führung*beiapielen, wobei zugleich das Punkti^neprinzip der Erfindung erläutert wird. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Diagramm, das den Einfluss der Berkonzentration auf die Eigenschaften eines Silizium-Piezoresistore zeigt;

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Fig. 2 eine Wheatstonesche Brücke einer Messschaltungi eines erfindungegemässen Halbleiter-Sensorelementes unter Temperatureinfluss;

Pig. 3 eine Wheatstonesche Brücke einer Messschaltu^t eines erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelementes unter Druckeinfluss;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Empfindlichkeit einer Messschaltung eines Halbleiter-Sensorelementes gemäss dem Stand der Technik in Abhängigkeit der Temperatur bei Sp&nnungsapeisung;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Empfindlichkeit eines inhärent kompensierten konstantstromgespiesenen Halbleiter-Sensorelementes gemäss dem Stand der Technik;

Fig. 6 einen Prinzipschaltplan der Messbrücke für ein erfindungsgemässes Halbleiter-Sensorelement bei Stromspeisung mit dem Kompensationswiderstand parallel zur Brücke;

Fig. 7 einen Prinzipschaltplan der Messbrücke für ein erfindungsgeft&sses Baibleiter-Seasorelement bei Stroffiapeisung mit dem Kompensationswiderstand quer zur Brücke;

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Krümmung des TKR und TKE eines inhärent kompensierten konstantstromgespiesenen Halbleitar-Sensoreiementes gemäss dem Stand der Technik;

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Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Krümmung des TKR* und TKE* einer mit einem Parallelwiderstand kompensierten Messschaltung eifrös erfindungsgemassen Halbleiter-Sensorelementes;

Fig. 10 einen Prinzipschaltplan der Messbrücke für ein •rfindungsgemasses Halbleiter-Sensorelement bei Spannungsspeisung.

Fig. 11 einen Prinzipschaltplan der Messbrücke für ein erfindungsgemasses Halbleiter-Sensorelement für Stromspeisung, welche aus einer Sensorhalbbrücke und einer Ersatz-Halbbrücke besteht.

Fig. 12 einen Prinzipschaltplan der Messbrücke für ein erfindungsgemasses Halbleiter-Sensorelement für Spannungsspeisung, welche aus einer Sensorhalbbrücke und einer Ersatz-Halbbrücke besteht.

Der piezoresistive Effekt (nachfolgend zusammenfassend auch als "k-Faktor" beschrieben) ist ein Halbleitereffekt, wonach ein BAlbleiterwiderstftäd auf eine mechanische Dehnung mit einer Widerstandsveränderung reagiert. Der piezoresistive Effekt kann für Sensoren benutzt werden, indem eine physikalische Grosse in eine mechanische Dehnung umgewandelt wird, welche von piezoresistiven Widerständen erfasst wird. Es können

piezoresistive Sensoren für Dehnungen, Beschleunigungen, Druck, Kraft u.s.w. hergestellt werden. Im folgenden wird die Erfindung nur an. Beispiel des Drucksensors beschrieben.

Die Temperaturabhängigkeit wird im wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt:

- Art der Dotierung des Halbleiters (p oder n), z.B. Bor oder Phosphor;

- Dosis und Profil, d.h. Konzentration und Verteilung des Dotierungselementes.

Die Temperaturabh&ngigkeit des k-Faktors, auch piezoresistiver Wirkungsfaktor oder G-Faktor genannt, ist in Fig. 1 anhand eines gebräuchlichen Falles von Widerstanden in 110 Orientierung in der 100-Ebene aus p-Silizium (Bor-dotiert) dargestellt. Insbesondere wird auch der Einfluss der Bor-Konzentration auf die Eigenschaft des Si-Piezoresistors gezeigt. Kurve 1 zeigt den Verlauf von TKR, Kurve 2 denjenigen von TK(k) und Kurve 3 denjenigen des k-Faktors.

Um in der praktischen Anwendung von piezoresistiven Widerständen unterscheiden zu können ob sich eine Widerstandsänderung infolge einer Temperaturänderung oder infolge einer mechanischen Dehnung (z.B. aufgrund einer Druckänderung) ergeben hat, werden meistens mehrere Widerstände in einer Halbbrücken- oder Brückenschaltung angeordnet, wobei in jeder Halbbrücke zwei Widerstände verwendet werden, die einerseits entgegengesetzt gleich auf Druck und anderseits gleich auf Temperatur reagieren. Dadurch führt nur eine Druckänderung, nicht aber eine Temperaturänderung zur Verstimmung der Halbbrücke, bzw. Brücke. So ist es möglich, taspersturinduziertes Signal und druckinduziertes Signal

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weitgehend auseinanderzuhalten. Steht die Brücke unter Temperatureinfluss, wie in Fig. 2 dargestellt« 6O bleibt daa Ausgangssignal gleich und die Brücke wird nicht verstimmt. Steh*, die Brücke hingegen unter Druckeinf luse, wie in 8¹Ig. 3 dargestellt, so verschiebt sich das Ausgangssignal und die Brücke wird verstimmt. Die Temperaturabhängigkeit des piezoresistiven Effektes bewirkt jedoch weiterhin eine temperaturabhängige Veränderung der Empfindlichkeit, lin typischer piezoresistiver Drucksensor ist also wie in Fig. 2 und 3 dargestellt als Vollbrücke (Wheatstonesche Brücke) ausgelegt, mit vier aktiven (d.h. auf Druck reagierenden) Niderständen 4,5,6,7, von denen je zwei (4,6,) unter Druck ihren Niderstandwert vergrössern, und je zwei (5,7) ihren Wert verkleinern.

Nird der Sensor mit konstanter Spannung gespiesen, verändert sich die Empfindlichkeit, wie in Fig. 4 dargestellt, in Abhängigkeit von der Temperatur genau so, wie sich der k-Faktor in Abhängigkeit von der Temperatur verändert, d.h. die Kurve 8 gehorcht der linearen Beziehung TKE * TK(k). Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass TK(k) [Kurve 2] an keiner Stelle des dargestellten Bere'^hes Null ist, sondern immer Werte zwischen etwa -3000 ppm/°K (-0,3 % pro Grad) und etwa -1000 ppm/°K (-0,1 t pro Grad) annimmt. Die Empfindlichkeit ist also immer sehr stark temperaturabhängig.

Om diese TemperaturaJbhängigkeit der Empfindlichkeit au verringern, wird bei der sogenannten "inhärenten Kompensation" die Tatsache ausgenützt, dass bei Stromspeisung (Speisung des Drucksensors mit konstantem Strom) die Spannung über der Brücke

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in dem Masse zunimmt, wie der Gesamtwiderstand temperaturabhängig - zunimmt. Der Gesamtwiderstand der Brücke verändert sich deshalb nicht unter Druck, weil zwei Widerstände ihren Wert unter Druck verkleinern und zwei Widerstände ihren Widerstand vergrössern. Die Zunahme der Spannung über der Brücke [TKR positiv] kompensiert tendenziell die Abnahme der Empfindlichkeit durch die Abnahme des piezoresistiven Wirkungsfaktors [TK(k) negativ]. Eine optimale Kompensationswirkung findet genau dann statt, wenn bei umgekehrtem Vorzeichen die Beträge von TKR und TK(k) gleich gross sind.
In Fig. 1 ist diese Situation dort gegeben, wo sich die entsprechenden Kurven 1 und 2 von TKR , bzw. TK(k) überschneiden. Die entsprechenden Punkte sind in Fig. 1 mit A und B gekennzeichnet.

Typische Anwendungen piezoresistiver Sensoren gemäss dem Stand der Technik arbeiten deshalb vor allem im Bereich des Punktes A, da dort der k-Faktor grosser ist als bei Punkt B und die hohe Bor-Konzentration in Punkt. B unerwünschte mechanische Spannungen in das Gefüge bringt.

Bei der inhärenten Kompensation ergibt sich somit eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit der Empfindlichkeit in einem begrenzten Temperaturbereich/ beispielsweise zwischen -10° und +40°, wie dies in Fig. 5 dai*gestellt ist. Äusserhalb dieses Bereiches wirkt sich jedoch der umstand aus, dass TKR und TK(k) beide in unterschiedlicher Weise temperaturabhängig sind, d.h. sich ihre Krümmungen nicht decken. Es resultiert eine Empfindlichkeitskurve D1 mJLt einem flaöhen Mittelbereich Und ssidh stärker krümmenden Enden (Fig. S).

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Durch Variation der Halbleiterprozesse (Aenderung der Dotierung) kann das Optimum der inhärenten Kompensation auf eine andere Temperatur gelegt werden, wobei sie auch dort wieder nur in einem beschränkten Bereich wirksam ist, wie dies in Fig. 5 anhand der Kurve D2 im Temperaturbereich +10° bis +60° illustriert wird. Ausserhalb des optimalen Bereiches verbleibt somit ein grosser Fehler.

Aus diesem Grunde muss eine Restfehlerkorrektur durchgeführt werden für Anwendungen die mindestens zum Teil ausserhalb des optimalen Temperaturbereiches liegen. Besonders bei tiefen Temperaturen ist der Restfehler des Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit TKE sehr bedeutend und überwiegt oft bei weitem die übrigen Fehler.

Das erfindungsgemässe Halbleiter-Sensorelement verfolgt im Vergleich zu den Kompensationsmethoden nach dem Stand der Technik einen völlig anderen Ansatz, indem von ganz anderen halbleitermässigen Voraussetzungen als beim Stand der Technik ausgegangen wird; das erfindungsgemässe Halbleiter-Sensorelement arbeitet in einem Bereich der Halbleiterphysik, in dem gemäss konventionellen Zielsetzungen das Temperaturverhalten sehr schlecht und für praktische Anwendungen unbrauchbar wäre.
Entgegen den oben erwähnten theoretischen Ueberlegungen wird beim erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelement nicht im Bereich des Punktes A oder B im Diagramm gemäss Fig. 1 gearbeitet. Völlig unkonventionell wird in einem Bereich gearbeitet, in dem dei* Betrag des TKR grosser ist als der Betrag des TK(k)/ vorzugsweise etwa 40 - 60 % grosser, im speziellen 50 % grosser

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als der Betrag des TK(k). In der Situation, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann das entweder links von Punkt A, oder rechts von Punkt B sein. Für die praktische Realisierung kird vorzugsweise der Bereich links von Punkt A gewählt, da dort folgende vorteilhafte Bedingungen herrschen:

- der k-Faktor ist höher

- der unterschied Betrag TKR und Betrag TK(k) ist grosser

- die mechanischen Spannungen der Kristallstruktur des
Halbleiters sind geringer.

In Fig. 1 ist als Beispiel für einen erfindungsgemässen Bereich Punkt C eingetragen. Dieses extreme Temperaturverhalten in Punkt C erlaubt überraschenderweise eine sehr einfache Kompensation des Haloleiter-Sensorselementes, sowohl für den Fall der Stromspeisung als auch für den Fall der Spannungsspeisung, was für den Anwender eine ganz wesentliche Verbesserung, Vereinfachung, sowie Verbilligung bedeutet.

In Fig. 6 ist die Messbrücke eines erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelementes mit den Widerständen 4,5,6,7 dargestellt, wobei der Brückenwiderstand typischerweise 4,5 kfi beträgt. Über Eingänge +1 und -T ist die Messbrücke 4,5,6,7 mit Strom versorgt, indem sie über Speiseleitungen 9 mit der Stromspeisung 10 in Verbindung steht. An den dazu gegenüberliegenden Ausgängen +0 und -0 wird das Differenzausgangssignal abgegriffen, das über die Leitungen 13 einem AUögangsdifferenzverstärker oder A/D-Wandler 11 zugeführt wird. Parallel zur Sensorbrücke 4,5,6,7 ist nun ein Kompensations-Widerstand 12 geschältet. Dor Parallelwiderstand

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12 ist ein normaler, möglichst temperaturunabhängiger Festwiderstand mit einem Widerstandwert Rp der typischerweise 9 kß beträgt und einem TK von kleiner als 200 ppm/°K, vorzugsweise von 50 ppm/°K.

Durch die Zuschaltung des Parallelwiderstandes 12 zur Sensorbrücke 4,5,6,7, wird der Gesamtwiderstand R* gesenkt. Dieser Geaamtwiderstand R* ist ebenfalls temperaturabhängig, jedoch ist der TK von R* kleiner als der TK von R :ind grosser als der TK von Rp. Durch entsprechende rechnerische oder experimentelle Auswahl der Dimensionierung des Widerstandswertes Rp des Widerstandes 12 (bei gegebenem R und TKR) kann erreicht werden, dass der Betrag von TKR* gleich gross ist wie der Betrag von TK{k).

Damit ergibt sich also wieder eine Situation wie beim inhärent kompensierten, stromgespiesenen Sensor gemäss dem Stand der Technik, wobei aber nicht mehr TKR = - TK(k) sondern TKR* = -TK(k) ist.

Als wesentliche Verbesserung gegenüber dem inhärent kompensierten Sensor stimmen die temperaturabhängigen Krümmungen von R* und k (Kurven 18* und 20 in Fig. 9) beim erfindungsgemässen mit dem Widerstand 12 kompensierten Halbleit.er-Sensorelement wesentlich besser überein als die temperaturabhängigen Krümmungen von R und k (Kurven 15 und 16 in Fig. 8) beim inhärent kompensierten Sensor. Dadurch ist die Empfindlichkeit beim erfindüngsgemäösen mit dem Widerstand 12

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kompensierten Halbleiter-Sensörelement (Kurve 19* in Fig. 9) wesentlich weniger temperätufabhängig als die Empfindlidhkeit des inhärent kompensierten Sensors (Kurve 17 in Fig. 8)* Als weitere Wesentliche Verbesserung gegenüber dem inhärent kompensierten Sensor ergibt sich aufgrund von elektrischen Symmetriegesetzen die Möglichkeit, das erfindungsgemässe Halbleiter-Sensörelement mit Spannungsspeisung zu betreiben, wenn der Kompensationswiderstand als Seriewiderstand zur Brücke angeordnet wird.

Ebenfalls besteht die Möglichkeit, das erfindungsgemässe Halbleiter-Sensorelement so auszubilden, dass der Sensor nicht aus einer Vollbrücke, sondern nur aus einer Halbbrücke besteht. In Fig. 7 ist eine Variante der Messbrücke eines erfindungsgemässen Halbleiter-Sensörelementes bei Stromspeisung dargestellt, bei welchem der Kompensationswiderstand 14 quer zur Brücke 4,5,6,7 angeordnet ist.

In Fig. 10 ist die spannungsgespiesehe Variante der Messbrücke eines erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelementes illustriert, wobei über Eingänge +U und -U ist die Messbrücke 4,5,6,7 mit Spannung über die Leitungen 23 mit der Spannungsspeisung 21 in Verbindung steht. An den dazu gegenüberliegenden Ausgängen +0 und -0 wird das Difrerenzausgangssignal abgegriffen, das über die Leitungen 24 einem Ausgangsdifferenzverstärker oder A/D-Wandler 11 zugeführt wird. In Serie zur Sensorbrücke 4,5,6,7 ist ein Kompensations-Widerstand 22 geschaltet. Der Seriewiderstand 22 ist ein normaler, möglichst

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temperaturunabhängiger Festwiderstand mit einem Widerstandwert Rs der typisöherweise 9 kSl beträgt und einem TK von kleiner als 200 ppm/°k, vorzugsweise von 50 ppm/°K«

Die Situation Brücke und Seriewiderstand entspricht einem temperaturabhängigen Spannungsteiler. Dabei ist nur der Sensor für die Temperaturabhängigkeit verantwortlicht Rs wird so dimensioniert, dass sich die Spannung über der Brücke temperaturabhängig genau in gleichem Masse, aber mit umgekehrtem Vorzeichen verändert, wie der k-Faktor.

In Fig. 11 ist eine Variante der Messbrücke eines erfindungsgemässen Halbleiter-Sensörelementes dargestellt, welche statt einer Vollbrücke, lediglich eine Halbbrücke aufweist. Über Eingänge +1 und -I ist die aktive Sensor-Halbbrücke 4,7 mit Strom über die Leitungen 27 mit der Stromspeisung 10 in Verbindung. Die Ersatzhalbbrücke besteht gerade aus den Kompensätionswiderständen 25,26 , welche zusammmen mit der Sensorhalbbrücke 4,7, eine volle Wheatstonesche Brücke bilden. An den Ausgängen +0 und -Ö der vollen Brücke 4,25,26,7 wird das Differenzausgangssignal abgegriffen, das über die Leitungen 28 einem Ausgangsdifferenzverstärker oder A/D-Wandler 11 zugeführt wird*
Die Kompensationswiderstände 25,26 sind wiederum ganz normale, tsmperaturunabhängige Widerstände mit einem Widerstandswert Rk.

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Fig* 12 zeigt eine zu Fig. 11 analoge Variante für Spännüngsspeisung« Über !Eingänge +U Und -^U ist die Halbbrücke 4,7 über die Leitungen 29 mit der Spannungsspeisürig 31 verbunden. Die Ersatzhalbbrücke besteht aus den Widerständen 33,34 welche zusammmen mit der Sensorhalbbrücke 4,7, die volle Wheatstonesche Brücke bilden. An den Ausgängen +0 und -0 der vollen Brücke 4,33,34,7 wird das Differenzausgangssägnal abgegriffen, das über die Leitungen 30 einem Ausgangsdifferenzverstärker oder A/D-Wandler 11 zugeführt wird. In Serie zur ergänzten Sensorbrücke 4>33,34,7 ist ein Widerstand 32 geschaltet.

Die Widerstände 33,34 und 32 sind ganz normale, möglichst temperaturunabhängige Widerstände. Die Widerstände 33 und 34 haben den gleichen Wert* Die Temperaturkompensation der Empfindlichkeit des erfindungsgemässen Halbleiter-Sensorelementes ergibt sich wiederum durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 33, bzw. 34 und 32 aufgrund einfacher Berechnungen oder Messungen.

Claims

Patentanwälte \.'\ '-~^: ?&Ggr;"'..'·'..'- 2021.3Ka/Kr Wenzel & Kalkoff
Flaßkuhle 6
Postfach 2448
Witten/Ruhr

Schutzansprüche:

Sensorelement, insbesondere piezoresistiver Halbleiter-Drucksensor, insbesondere für bzw.an Druckmeßgeräten zur Umwandlung einer physikalischen Größe in eine mechanische Dehnung, welche von piezoresistiven Widerständen erfaßt wird, bestehend aus einer Druckzelle, in deren Druckmembran eine Brückenschaltung aus Widerständen für die Druckmessung eindiffundiert bzw. implantiert ist, insbesondere mit einer Wheatstoneschen Brücke (4, 5, f, 7) mit einem Widerstandswert R, an der das einem nachgeordnt ten Ausgangsdifferenzverstärker oder A/D-Wandler (11} zuführbare Differenzausgangssignal abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

A) die Halbleiter-Dotierung des Sensorselementes derart gewählt wird, daß die Beziehung |TKR| > |TK (k)| gilt; und

B) zur Wheatstoneschen Brücke ( 4, 5, 6, 7) ein im wesentlichen temperaturunabhängiger Kompensationswiderstand (12; 22; 25, 26; 32, 33, 34) geschaltet ist.
2. Halbleiter-Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wheatstoneschen Brücke (4, 5, 6, 7) ein Parallelwiderstand (12) mit einem Widerstandswert Rp unter Stromspeisung (10) geschaltet ist.

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3. Halbleiter-Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert Rp des Kompensationswideistandes (12) derart dimensioniert ist, dass der Temperaturkoeffizient TKR* des Gesamtwiderstandes R* dem negativen Koeffizienten des k-Faktors TK(k) entspricht.
4. Halbleiter-Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wheatstoneschen Brücke '^,5,6,7} ein Seriewiderstand (22) mit dem Widerstandswert Rs unter Spannungsspeisung (21) geschaltet j.st.
5. Halbleiter-Sensorelement nach Anspruch 4, daduvch gekennzeichnet, dass der Widers^andswert Rs des Seriewiderstandes (22) derart dimensioniert ist, dass die Spannung U_B über

der Wheatstoneschen Brücke (4,5,6,7) sich mit der Temperatur wie -TK(k) verändert.
6. Halbleiter-Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Stramspeisung (10) der Kompensationswiderstand (12) quer zur Brücke (4,5,6,7) geschaltet ist.
7. Halbltbiter-Sensorelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandwert Rs des in Serie geschalteten Kompensationswiderstandes (22) im wesentlichen gleich gross ist wie der Widerstandswert Rp des parallel geschalteten Kompensationswiderstandes (12) bei Stromspeisung (10).

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8. Hälbleiter-Sensörelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensat-iönswiderstand | (12,22) eine Temperätürempf indÜchkeit kleiner als -TK (k) aufweist.
9. Halbleiter-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis "7, dadurch gekennzeichnet,. dass der Kompensatioriswiderständ (12,22) eine Temperätürempfiridlichkeit kleiner als 200 ppm/°K, vorzugsweise kleiner als 50 ppm/°K aufweist.
10. Halbleiter-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wheatstönesche Brücke aus vier aktiv auf Druck reagierenden Halbleiterwiderständen (4,5,6,7) besteht, von denen je zwei (4,6) unter Druck ihren Widerstand vergrössern und je zwei (5,7) ihren Wert verkleinern.
11. Halbleiter-Sensorelement, insbesondere piezoresistives Halbleitersensorelement zur Umwandlung einer physikalischen Grosse in eine mechanische Dehnung, welche von piezoresistiven Widerständen erfasst wird, insbesondere piezoresistiver Halbleiter-Drucksensor bestehend aus einer Siheatstoneschen Brücke (4,5,6,7) mit einem Widerstandswert R, an der das einem nachgeordneten Ausgangsdifferenzverstärker oder A/D-Wandler (11) zuführbare Differenzausgangssignal abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass

A) die Halbleiter-Dotierung des Sensors derart gewählt wird, dass die Beziehung |TKR| > |TK(k)I gilt, und

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B) die Halbbrücke (4,7) 55U einer Wheatstorieschen Brücke ergänzt wird, deiart dass zwei im wesentlichen temperatürünäbhängige Kömpensatiohswiderstände (25,26) mit den Widerstaridwerten Ra Und Rb zugeschaltet werden, so dass der Gesamtwiderstand der Brücke (4,25/26,7) den gleichen Wert TKR aufweist wie -TK(k).
12» Halbleiter-Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur mit im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerständen (33,34) zur Vollbrücke (4,33,34,7) ergänzten Halbbrücke (4,7) ein im wesentlichen temperaturunäbhängiger Seriewiderstand (32) mit einem Widerstandswert Rs unter Spannungsspeisung (31) geschaltet ist.
13. Haibleiter-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Borkonzentration der Halbleiterwiderstände (4,5,6,7) grosser als 2&Iacgr;0²⁰ oder
kleiner als 2·10^1&bgr; ist.
14. Halbleiter-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung der Halbleiterwiderstände (4,5,6,7) derart gewählt wird, dass 1,6 [TK{k)[ > TKR > 1,4 lTK(k)l ist.
15. Halbleiter-Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationswiderstand (12;22;25,26;32,33,34) als Polysiliziumschicht oder Dünnfilm-Schicht auf einem Sensor-Chip aufgebracht ist.

16&iacgr; ESensorelement nach einem der¹ Ansprüdhe 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet/ daSs der Kompensationswiderstand. (12J22;25₇26; 32,33,34) vom Sensor entfernt angeordnet ist.