WO1992006362A1 - Sensor - Google Patents

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WO1992006362A1
WO1992006362A1 PCT/DE1991/000744 DE9100744W WO9206362A1 WO 1992006362 A1 WO1992006362 A1 WO 1992006362A1 DE 9100744 W DE9100744 W DE 9100744W WO 9206362 A1 WO9206362 A1 WO 9206362A1
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WO
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source
membrane
sensor
sensor according
pressure
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Application number
PCT/DE1991/000744
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Ruediger Weiss
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO1992006362A1 publication Critical patent/WO1992006362A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0098—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means using semiconductor body comprising at least one PN junction as detecting element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/148—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors using semiconductive material, e.g. silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Definitions

  • the invention relates to a sensor, in particular a pressure sensor, according to the preamble of claim 1.
  • capacitive sensors are generally known, in which a change in capacitance is brought about by the action of pressure. Such changes in capacity are evaluated by means of electronic circuits.
  • piezoelectric sensors are generally known for pressure measurements, in which charges result from the action of pressure and are used to charge a capacitance.
  • the charging voltage is evaluated here by means of FET circuits.
  • a generally known Feldeffe k ttransistor consists of the two electrodes source and drain, which are arranged at a distance and on which an insulating layer is applied, which in turn, off covered with a metal layer, the gate electrode.
  • a conductive source-drain channel forms between the drain and source electrodes.
  • the current flowing here depends, among other things, on the capacity between the Gate electrode and the source-drain channel.
  • the capacitance and thus the current are thus dependent on the distance between the gate electrode and the source-drain channel.
  • an electrical transducer for converting a physical variable into an electrical variable is realized in that a gate electrode of a field effect transistor is designed to be movable by being acted upon by the physical variable to be measured.
  • the gate electrode is a tongue designed in the manner of a bending beam. The dimensioning, adjustment and mechanical adjustment of a freely protruding tongue are difficult to carry out with the desired microstructures.
  • the application of gas or liquid pressure to a movable tongue is difficult to perform because of the seals required.
  • a semiconductor resonance system is known (DE-OS 30 08 573), in which a resonant tongue is arranged over a source-drain channel of an FET structure.
  • a pressure sensor is known from this, in which a piezoceramic element is attached to a membrane, which is located over a double FET structure.
  • a tongue is attached to the membrane instead of the piezoceramic element. All of these designs are difficult to manufacture in the micromechanical area and mechanically difficult to adjust.
  • the sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage over the prior art that a pressure-proportional electrical signal is achieved directly without a micromechanically complicated arrangement.
  • the source electrode, drain electrode and the source-drain channel of the FET structure can be made in available, established technology. technologies and existing processes, e.g. in silicon technology or
  • the membrane can be chosen relatively strong and is therefore insensitive to damage.
  • the pressure range is only determined by the geometry and the material of the membrane. The manufacture of the FET structure and the signal electronics is identical for all pressure ranges, so that such a "raw sensor” can be inexpensively manufactured in large quantities.
  • the sensor includes mechanical overpressure protection for the membrane as a stop on the source-drain channel or the waver surface.
  • a second, but non-pressurized sensor can advantageously be manufactured on the same waver substrate for offset compensation, which means only a small additional effort.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a p-channel MOSFET according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a pressure sensor according to the invention with an elastic dielectric using silicon technology
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a pressure sensor according to the invention in thin-film technology with a metal membrane
  • 4 shows a schematic illustration of a pressure sensor according to the invention, produced using silicon technology, with a non-conductive membrane with a vapor-deposited gate electrode
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the pressure-side end part of a specifically designed, cylindrical pressure sensor using thin-film technology
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the pressure-side part of another embodiment of a specifically designed, cylindrical pressure sensor using silicon technology
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the construction of a complete pressure sensor including the circuitry arrangement
  • Fig. 10 block diagram of the pressure sensor according to the invention.
  • n-silicon n-silicon
  • p-type semiconductor material 2 p-type silicon wafer
  • metallic p-type semiconductor material
  • the gate electrode 6 and the insulation layer 5 form a capacitor with the p-type source-drain channel located underneath.
  • the insulation layer 5 consists in the Rule made of an oxide, so that such an arrangement is referred to as a MOS field effect transistor (metal oxide semiconducter).
  • source electrode 3 or drain electrode 4 If source electrode 3 or drain electrode 4 is applied, there is no appreciable current flow due to the blocking pn junction in each case.
  • the number of charge carriers is proportional to the applied gate voltage, which is thus the size of the current between the source electrode 3 and the drain electrode 4 controls.
  • the gate voltage is also kept constant, the current can also be controlled by varying the gate capacitance.
  • the gate capacitance is dependent, for example, on the distance between the gate electrode 6 and the source-drain channel 7 and the dielectric constant of the insulation layer 5.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a pressure sensor 8 according to the invention, in which the basic structure according to FIG. 1 is again recognizable and in which the corresponding parts are provided with the same reference numerals.
  • a source electrode 3 and a drain electrode 4 are formed in a silicon waver 2, with an intermediate source-drain channel 7, this entire arrangement being covered here with an insulation layer 5.
  • the gate electrode 6 is attached above it. The entire arrangement is made using silicon technology.
  • the insulating layer 5 is formed from an elastic insulating material or dielectric, so that when pressure is exerted on the overlying gate electrode 6, the thickness of the insulating layer 5 and thus the total gate capacitance is changed.
  • the distance between the gate electrode 6 and the source-drain channel 7 is reduced by the action of pressure, the gate capacitance increasing proportionally with the pressure.
  • the elasticity or the membrane restoring force does not have to be brought about by the gate electrode 6 or its support.
  • This embodiment can be interesting insofar as one is more free in the choice of the dielectric constant and larger capacitance values can be realized with the same area.
  • the capacitor plate spacing of the gate capacitance is determined by the thickness of the elastic dielectric, which can preferably be a film and / or a lacquer layer.
  • an elastic insulating material can also be used which, when pressurized, also shows a change in the dielectric constant in addition to the change in volume or thickness.
  • FIG. 3 shows a pressure sensor 9 with a metal membrane 10 produced using thick-film technology.
  • a substrate 11 e.g. a ceramic
  • spacers in the form of a spacer ring 12 are attached, on which the metal membrane 10 is fastened in a pressure-tight manner.
  • a source electrode 3 and a drain electrode 4 with a source-drain channel 7 in between are applied using thin-film technology.
  • some or all of the electronics that process the pressure signal can be accommodated in volume 13.
  • the metal membrane 10 corresponds here to the gate electrode, which is held elastically via the spacer ring 12 at a distance 14 above the FET structure 3, 4, 7.
  • the volume 13 contains vacuum as a dielectric.
  • the metal membrane 10, which is also the gate electrode at ground potential.
  • FIG. 4 Another embodiment of a pressure sensor 14 or its FET structure is shown in FIG. 4 and corresponds in substantial parts to the embodiment of FIG. 3.
  • the pressure sensor 14 is shown in silicon technology, a silicon wafer 15 containing the source electrode 3 and the drain electrode 4 and the source-drain channel 7 similar to that in FIG. 1. Similar to FIG. 3, a spacer ring 12 is placed thereon in a pressure-tight manner, on which an elastic, but non-conductive membrane 15 is applied. A volume 13 is also determined here, with vacuum or a gas as the dielectric.
  • the non-conductive membrane 15 can be made of glass or ceramic.
  • a conductive layer 16 is vapor-deposited as a gate electrode 16 on the underside of the membrane 15 in the area above the source-drain channel 7.
  • the membrane 15 When the membrane 15 is pressurized from the outside, it bends, as in the embodiment according to FIG. 3, towards the substrate, so that the distance between the gate electrode 16 and the source-drain channel 7 is reduced .
  • the resulting change in capacity corresponds to a corresponding change in the control current and thus leads to an evaluable pressure measurement signal.
  • the FET structure consisting of substrate 11, spacer ring 12, source electrode 3, drain electrode 4 and source-drain channel 7 corresponds to the embodiment according to FIG. 3.
  • the metal membrane 10 is here in the form of a pot Cover 18 executed, which is placed on a cylindrical housing base 19 and surrounds this with lateral wall areas.
  • the cover 18 is connected to the housing base 19 by a pressure-tight laser weld 41. During the welding process, the cover 18 is pressed onto the spacer ring 12 in order to ensure a reproducible distance between the metal membrane 10 as the gate electrode and the source-drain channel.
  • FIG. 6 shows the pressure-side part of a further embodiment of a pressure sensor 20, in which the FET structure (not shown in more detail) is implemented in silicon technology, roughly corresponding to FIG. 4.
  • An elastic membrane 21 as a gate electrode is pressed into a cylindrical receiving opening 22 of a housing 23 and is also held here at a predetermined distance via a spacer ring 12.
  • the elastic membrane 21 is preferably designed as a cylindrical disk copper-plated on the edge to improve the seal.
  • the front receiving opening 22 can also receive the rest of the signal processing electronics below the membrane.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a completely upgraded pressure sensor 24.
  • area 25 the FET structure can be seen in accordance with the previous figures with the elastic membrane.
  • a pressure channel 26 above the membrane leads to the pressure-side connection 27 of the pressure sensor 24 to the outside.
  • a metallic housing 29 is attached to a metallic base plate 28, which receives the FET structure and in which the pressure channel 26 and the connection 27 are formed.
  • Base plate 28 is extended laterally beyond housing 29, as is the substrate on which the FET structure is formed. Hybrid circuits 30 and trimming resistors for the measurement signal adaptation and processing can be attached in this area.
  • the base plate 28 serves both for fastening and for pressing the FET structure onto the membrane and the housing 29.
  • the further circuit parts 30 can be covered by a plastic part 31.
  • the source-drain channel acts as a mechanical stop for the steel membrane. This would result in an electrical short circuit between the steel membrane as the gate electrode and the source-drain channel.
  • a remedy is to apply a thin, insulating protective layer in the form of an oxide on the source-drain channel or possibly also on the steel membrane. The application of the oxide layer thus means an additional, serial, constant capacitance which has to be taken into account in the total capacitance. Such curves, the thickness of which is denoted by do x , is taken into account in curves a, c and d of FIG. 8.
  • dg 0.8 ⁇ m
  • dg x 0.1 ⁇ m
  • dg 0.8 ⁇ m
  • dg x 0
  • dg 1.0 ⁇ m
  • dg x 0.2 ⁇ m
  • d: g 1 .0 ⁇ m
  • dg x 0.1 ⁇ m
  • dg 1.0 ⁇ m
  • d x 0
  • a change can be made by changing the membrane geometry, its distance from the source-drain channel and possibly a change in the membrane material simple and inexpensive adaptation to different measuring ranges can be carried out.
  • the linearity and sensitivity can be influenced by suitable selection of the various geometric dimensions.
  • pressure sensors can be equipped for sensors for measuring the acceleration by applying an additional mass in the center of the elastic membranes, the membrane acting as a spring. An acceleration-dependent current signal is then obtained.
  • a measurement range adjustment is achieved by varying the mechanical sizes of the gate electrode.
  • An offset compensation described below, is also necessary for absolute value measurements. This can be omitted in dynamic acceleration measurements or can be replaced by high-pass filtering of the signal current.
  • Force on the gate electrode like pressures, forces can also be measured.
  • the sensors described are also suitable for measuring small paths in the ⁇ m range, for example of strokes and vibrations, such as those used for resonance-operated elements for moisture measurements, pressure measurements, etc.
  • the membrane is made of metal and is used directly as a gate electrode
  • the membrane consists of an insulator on which the gate electrode is applied.
  • the gate circuit is suitable for such a pressure sensor. That is, the gate electrode is at ground or housing potential.
  • FIG. 9 shows a circuit of the FET structure known per se as a constant current source without auxiliary voltage, the drain electrode being designated D, the source electrode S and the gate electrode G. Furthermore, a trimming resistor Rg is attached after the source electrode S.
  • the gate electrode could also be connected to ground potential, only the line parallel to the balancing resistor Rg having to be replaced by the line shown in broken lines.
  • a constant current When using the FET as a constant current source, a constant current would be set in production by adjusting the resistance Rg at a pressure of zero bar, which would increase correspondingly with a varying pressure. Since, as is known, the temperature coefficient of the control voltage U Q S of a FET depends on the drain current IQ, it may be expedient to choose the current intensity at a pressure of zero bar so that the temperature coefficient becomes approximately zero.
  • the offset of the pressure signal caused by Cg at zero bar pressure must be compensated.
  • This is advantageously implemented in a differential circuit with a second, identical structure, the gate capacitance of which, however, cannot vary with the pressure.
  • This also has the advantage that temperature dependencies of the offset can be eliminated in a simple manner.
  • compensation could also be carried out as a purely electronic offset compensation of the signal.
  • a uniform sensitivity of the manufactured sensors can be achieved by comparing the amplifier circuit downstream of the sensor.
  • FIG. 10 shows a block diagram of a pressure sensor according to the invention, the membrane-gate capacitance 32 being influenced by the gate voltage 33, the source-drain voltage 34 and the applied pressure 35.
  • the resulting current 36 or a current change is converted into a voltage 37, to which an offset compensation 38 is applied.
  • a signal processed in this way is fed to an amplifier 39 and is then available as a pressure signal 40.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Drucksensor, bestehend aus einer Feldeffekttransistorstruktur mit einer Source-Elektrode (3) und einer Drain-Elektrode (4) sowie einem Source-Drain-Kanal (7) und einer darüber veränderbar liegenden Gate-Elektrode, wodurch die Gate-Kapazität bestimmt ist. Bei Veränderung der Gate-Elektrode ändert sich die Gate-Kapazität und damit ist durch Ladungsinfluenz im Source-Drain-Kanal (7) der FET-Strom als Sensorsignal steuerbar. Erfindungsgemäß wird eine Druckmembran (10) in die Gate-Kapazität integriert. Die wesentlichen Vorteile bestehen darin, daß ein mit etablierten Techniken kompakt herstellbarer Sensor geschaffen wird, dessen Druckbereich im wesentlichen durch die Geometrie und das Material der Membran bestimmbar ist, der ohne Mikromechanik ausführbar ist.

Description

Sensor
stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen Druck¬ sensor, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für Druckmessungen sind allgemein kapazitive Sensoren be¬ kannt, bei denen durch Druckeinwirkung eine Kapazitätsände¬ rung bewirkt wird. Solche Kapazitätsänderungen werden mittels elektronischer Schaltungen ausgewertet.
Weiter sind allgemein für Druckmessungen piezoelektrische Sen¬ soren bekannt, bei denen durch Druckeinwirkung Ladungen ent¬ stehen, die zur Aufladung einer Kapazität benutzt werden. Die Aufladespannung wird hier mittels FET-Schaltkreisen ausgewer¬ tet.
Ein allgemein bekannter Feldeffekttransistor besteht aus den beiden Elektroden Source und Drain, die im Abstand angeordnet sind und worüber eine isolierende Schicht aufgebracht ist, die wiederum mit einer Metallschicht, der Gate-Elektrode, ab- gedeckt ist. Zwischen der Drain- und Source-Elektrode bildet sich beim Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode ein leitender Source-Drain-Kanal aus. Der hier fließende Strom ist unter anderem abhängig von der Kapazität zwischen der Gate-Elektrode und dem Source-Drain-Kanal. Die Kapazität und damit der Strom sind somit abhängig vom Abstand der Gate-Elek¬ trode zum Source-Drain-Kanal. Dieser an sich bekannte Effekt wird bereits zu Meßzwecken genutzt:
Mit einer bekannten Anordnung (DE-PS 35 15 349) wird ein elek¬ trischer Meßumformer zur Umsetzung einer physikalischen Größe in eine elektrische Größe dadurch realisiert, daß eine Gate- Elektrode eines Feldeffekttransistors durch Beaufschlagung mit der zu messenden, physikalischen Größe bewegbar gestaltet ist. In der konkreten Ausführungsform ist die Gate-Elektrode eine nach Art eines Biegebalkens ausgebildete Zunge. Die Di¬ mensionierung, Justierung und der mechanische Abgleich einer frei abstehenden Zunge sind bei den angestrebten Mikrostruktu- ren schwierig durchzuführen. Zudem ist die Aufbringung eines Gas- oder Flüssigkeitsdrucks auf eine bewegliche Zunge wegen der erforderlichen Abdichtungen schwierig durchzuführen.
Weiter ist ein Halbleiterresonanzsystem bekannt (DE-OS 30 08 573), bei dem eine resonanzfähige Zunge über einem Source- Drain-Kanal einer FET-Struktur angeordnet ist.
Zudem ist hieraus ein Druckaufnehmer bekannt, bei dem ein piezokeramisches Element an einer Membran befestigt ist, die sich über einer Doppel-FET-Struktur befindet. In einer ande¬ ren Ausführungsform wird anstelle des piezokeramischen Ele¬ ments eine Zunge an der Membran befestigt. Alle diese Ausfüh¬ rungen sind im mikromechanischen Bereich schwierig herzustel¬ len und mechanisch schwierig zu justieren.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß direkt ein druckproportionales, elektrisches Signal ohne mikromecha¬ nisch komplizierte Anordnung erreicht wird. Die Source-Elek¬ trode, Drain-Elektrode und der Source-Drain-Kanal der FET- Struktur können in zur Verfügung stehenden, etablierten Tech- niken und vorhandenen Prozessen, z.B. in Siliziumtechnik oder
Dünnschichttechnik, zusammen mit der signalverarbeitenden Halbleiterschaltung auf demselben Substrat/Waver gefertigt werden. Es wird somit ein "intelligenter" Sensor mit sehr kleinen Abmessungen erhalten. Die Ausgangsimpedanz des Sensor¬ elements ist klein. Die Membran kann relativ stark gewählt werden und ist somit unempfindlich gegen Beschädigungen. Der Druckbereich wird lediglich durch die Geometrie und das Mate¬ rial der Membran bestimmt. Die Fertigung der FET-Struktur und der Signalelektronik ist für alle Druckbereiche identisch, so daß ein solcher "Rohsensor" in hohen Stückzahlen preisgünstig herstellbar ist. Der Sensor beinhaltet einen mechanischen Überdruckschutz für die Membran als Anschlag auf dem Source- Drain-Kanal bzw. der Waveroberflache. In einer weiteren Ausge- staltung kann vorteilhaft ein zweiter, jedoch druckloser, Sen¬ sor auf demselben Waver-Substrat zur Offsetkompensation gefer¬ tigt werden, was nur einen geringen Mehraufwand bedeutet.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Sensoren sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschrei¬ bung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines p-Kanal-MOSFET nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem elastischen Dielektrikum in Silizium-Techni ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors in Dünnschichttechnik mit einer Metall¬ membran, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines in Silizium-Tech¬ nik hergestellten, erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer nicht leitenden Membran mit aufgedampfter Gate- Elektrode,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des druckseitigen Stirn¬ teils eines konkret ausgeführten, zylindrischen Druck- sensors in Dünnschichttechnik,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des druckseitigen Teils einer anderen Ausführungsform eines konkret ausgeführ¬ ten, zylindrischen Drucksensors in Silizium-Technik,
Fig. 7 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines kom- pletten Drucksensors einschließlich der Beschaltungs- anordnung,
Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Druckabhängigkeit der Gate-Kapazität für eine Stahlmembran,
Fig. 9 Schaltung eines FET als Konstantstromquelle ohne Hilfsspannung,
Fig. 10 Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Drucksensors.
In Fig. 1 ist ein Feldeffekttransistor 1 (FET-Struktur) darge¬ stellt, wobei in einem p-leitendem Halbleitermaterial 2 (p- Silizium-Waver) zwei n-leitende Inseln (n-Silizium) 3, 4 ein¬ diffundiert und metallisch kontaktiert sind. Diese n-leiten- den Inseln bilden in an sich bekannter Weise die Source-Elek¬ trode und Drain-Elektrode. Zwischen diesen beiden Elektroden 3, 4 ist eine Isolationsschicht 5 auf das Halbleitermaterial 2 aufgebracht, die wiederum mit einer Metallschicht 6 als Gate-Elektrode abgedeckt ist.
Die Gate-Elektrode 6 und die Isolationsschicht 5 bilden mit dem darunter befindlichen, p-leitenden Source-Drain-Kanal einen Kondensator. Die Isolationsschicht 5 besteht in der Regel aus einem Oxid, so daß eine solche Anordnung als MOS- Feldeffekttransistor (metal oxide semiconducter) bezeichnet wird.
wird eine positive oder negative Spannung zwischen der
Source-Elektrode 3 oder der Drain-Elektrode 4 angelegt, tritt wegen des jeweils sperrenden pn-Übergangs kein nennenswerter Stromfluß auf. Dies ändert sich durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode 6, da aufgrund des Gate-Kondensators durch Influenz unterhalb der Isolationsschicht 5 im Volumen des Halbleiters bewegliche Ladungsträger erzeugt werden, die zwischen der Source-Elektrode 3 und der Drain-Elektrode 4 einen leitenden Kanal (Source-Drain-Kanal 7) ausbilden. Die Zahl der Ladungsträger ist bei konstant gehaltener Spannung zwischen der Source-Elektrode 3 und der Drain-Elektrode 4 pro¬ portional zur angelegten Gate-Spannung, die somit die Größe des Stroms zwischen der Source-Elektrode 3 und der Drain-Elek¬ trode 4 steuert. Wird auch die Gate-Spannung konstant gehal¬ ten, kann der Strom auch durch eine Variation der Gate-Kapazi- tat gesteuert werden. Die Gate-Kapazität ist beispielsweise abhängig vom Abstand der Gate-Elektrode 6 zum Source-Drain- Kanal 7 und der Dielektrizitätskonstante der Isolations¬ schicht 5.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors 8 dargestellt, bei dem wiederum der grundsätz¬ liche Aufbau entsprechend Fig. 1 erkennbar ist und bei dem die entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen ver¬ sehen sind. Auch hier sind in einem Silizium-Waver 2 eine Source-Elektrode 3 und eine Drain-Elektrode 4 gebildet, mit einem dazwischen liegenden Source-Drain-Kanal 7, wobei hier diese gesamte Anordnung mit einer Isolationsschicht 5 abge¬ deckt ist. Darüber ist die Gate-Elektrode 6 angebracht. Die gesamte Anordnung ist in Silizium-Technik hergestellt.
Bei dieser Ausführung eines Drucksensors 8 ist die Isolier¬ schicht 5 aus einem elastischen Isoliermaterial bzw. Dielek¬ trikum gebildet, so daß bei einer Druckeinwirkung auf die darüberliegende Gate-Elektrode 6 die Dicke der Isolierschicht 5 und damit insgesamt die Gate-Kapazität verändert wird. Durch Druckeinwirkung wird der Abstand zwischen der Gate-Elek¬ trode 6 und dem Source-Drain-Kanal 7 verringert, wobei sich die Gate-Kapazität proportional mit dem Druck erhöht. Die Elastizität bzw. die Membran-Rückstellkraft muß in diesem Fall nicht von der Gate-Elektrode 6 oder ihrem Träger er¬ bracht werden. Diese Ausführungsform kann insofern interes¬ sant sein, als man in der Wahl der Dielektrizitätskonstanten freier ist und bei gleicher Fläche größere Kapazitätswerte realisieren kann. Der Kondensatorplattenabstand der Gate-Kapa¬ zität ist durch die Stärke des elastischen Dielektrikums, das bevorzugt eine Folie und/oder eine Lackschicht sein kann, be¬ stimmt.
In einer weiteren, entsprechend aufgebauten Ausführungsform kann auch ein elastisches Isoliermaterial verwendet werden, das bei einer Druckbeaufschlagung zusätzlich zur Volumen¬ bzw. Dickenänderung auch eine Änderung der Dielektrizitätskon- stante zeigt.
In Fig. 3 ist ein in Dickschichttechnik hergestellter Druck¬ sensor 9 mit einer Metallmembran 10 dargestellt. Auf einem Substrat 11, z.B. einer Keramik, sind Abstandshalter in Form eines Spacerrings 12 angebracht, auf dem die Metallmembran 10 druckdicht befestigt ist. Innerhalb des Volumens 13 zwischen Metallmembran 10, Substrat 11 und Spacerring 12 ist in Dünn¬ schichttechnik eine Source-Elektrode 3 und eine Drain-Elek¬ trode 4 mit dazwischen liegendem Source-Drain-Kanal 7 ange- bracht. Zusätzlich zu dieser FET-Struktur kann ggfs. ein Teil oder die gesamte, das Drucksignal verarbeitende Elektronik im Volumen 13 untergebracht sein.
Die Metallmembran 10 entspricht hier der Gate-Elektrode, die über den Spacerring 12 in einem Abstand 14 über der FET-Struk¬ tur 3, 4, 7 elastisch gehalten ist. Das Volumen 13 enthält Vakuum als Dielektrikum. Es ist hierbei praktisch notwendig, die Metallmembran 10, die gleichzeitig Gate-Elektrode ist, auf Massepotential zu legen. In einer weiteren Ausführungsform wäre auch die Verwendung einer metallischen Membran möglich, auf die eine durch eine Isolierschicht elektrisch getrennte Gate-Elektrode aufge¬ bracht ist.
Die mathematischen Beziehungen für das Maß der Auslenkung fest eingespannter, elastischer Membranen unterschiedlicher Gestalt sind allgemein bekannt. Daraus läßt sich bereits rech¬ nerisch eine entsprechende Kapazitätsänderung und damit eine Änderung des Signalstroms bei unterschiedlichen Druckbeauf¬ schlagungen auf die Membran ermitteln. Eine Abstimmung und Di¬ mensionierung bereitet somit keine grundsätzlichen Schwierig- keiten.
Eine weitere Ausführungsform eines Drucksensors 14 bzw. seiner FET-Struktur ist in Fig. 4 dargestellt und entspricht in wesentlichen Teilen der Ausführungsform nach Fig. 3.
Der Drucksensor 14 ist in Siliziumtechnik dargestellt, wobei ein Silizium-Waver 15 die Source-Elektrode 3 und die Drain- Elektrode 4 sowie den Source-Drain-Kanal 7 ähnlich wie in Fig. 1 enthält. Ähnlich wie in Fig. 3 ist hierauf druckdicht ein Spacerring 12 aufgesetzt, auf dem eine elastische, hier jedoch nicht leitende Membran 15 aufgebracht ist. Damit ist auch hier ein Volumen 13 bestimmt, mit Vakuum oder einem Gas als Dielektrikum.
Die nicht leitende Membran 15 kann aus Glas oder Keramik her¬ gestellt sein. Als Gate-Elektrode 16 ist an der Unterseite der Membran 15 im Bereich über dem Source-Drain-Kanal 7 eine leitende Schicht 16 aufgedampft.
Wenn die Membran 15 von außen her mit Druck beaufschlagt wird, biegt sie sich, ebenso wie in der Ausführung nach Fig. 3, in Richtung auf das Substrat durch, so daß der Abstand Gate-Elektrode 16 und Source-Drain-Kanal 7 verringert wird. Die dadurch auftretende Kapazitätsänderung entspricht einer entsprechenden Änderung des Steuerstroms und führt damit zu einem auswertbaren Druckmeßsignal.
in Fig. 5 ist das druckseitige Stirnteil eines zylindrischen Drucksensors 17 dargestellt. Die FET-Struktur, bestehend aus Substrat 11, Spacerring 12, Source-Elektrode 3, Drain-Elek¬ trode 4 und Source-Drain-Kanal 7 entspricht der Ausführungs¬ form nach Fig. 3. Die Metallmembran 10 ist hier als topfförmi- ger Deckel 18 ausgeführt, der auf einen zylindrischen Gehäuse¬ boden 19 aufgesetzt ist und diesen mit seitlichen Wandberei¬ chen umgreift. Der Deckel 18 ist durch eine druckdichte Laser¬ schweißnaht 41 mit dem Gehäuseboden 19 verbunden. Während des Schweißvorgangs wird der Deckel 18 auf den Spacerring 12 ge- drückt, um einen reproduzierbaren Abstand zwischen der Metall¬ membran 10 als Gate-Elektrode und dem Source-Drain-Kanal zu gewährleisten.
In Fig. 6 ist der druckseitige Teil einer weiteren Ausfüh- rungsform eines Drucksensors 20 dargestellt, bei dem die (nicht näher dargestellte) FET-Struktur in Siliziumtechnik etwa entsprechend Fig. 4 ausgeführt ist. Eine elastische Mem¬ bran 21 als Gate-Elektrode ist in eine zylindrische Aufnahme¬ öffnung 22 eines Gehäuses 23 eingepreßt und wird auch hier über einen Spacerring 12 auf einen vorbestimmten Abstand ge¬ halten. Die elastische Membran 21 ist bevorzugt als eine am Rande zur Verbesserung der Dichtung verkupferte, zylindrische Scheibe ausgebildet. Die stirnseitige Aufnahmeöffnung 22 kann unterhalb der Membran auch die übrige, signalverarbeitende Elektronik aufnehmen.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines komplett aufgerü¬ steten Drucksensors 24. Im Bereich 25 ist die FET-Struktur entsprechend der vorhergehenden Figuren mit der elastischen Membran zu erkennen. Ein Druckkanal 26 über der Membran führt zum druckseitigen Anschluß 27 des Drucksensors 24 nach außen. Auf einer metallischen Bodenplatte 28 ist ein metallisches Ge¬ häuse 29 angebracht, das die FET-Struktur aufnimmt und in dem der Druckkanal 26 sowie der Anschluß 27 gebildet sind. Die
Bodenplatte 28 ist seitlich über das Gehäuse 29 hinaus verlän¬ gert, ebenso wie das Substrat, auf dem die FET-Struktur gebil¬ det ist. In diesem Bereich können ggfs. Hybridschaltungen 30 und Abgleichwiderstände für die Meßsignalanpassung und Verar¬ beitung angebracht sein. Die Bodenplatte 28 dient sowohl zur Befestigung als auch zum Andrücken der FET-Struktur an die Membran und das Gehäuse 29. Die weiteren Schaltungsteile 30 können durch ein Kunststoffteil 31 abgedeckt sein.
In Fig. 8 ist die Druckabhängigkeit der Gate-Kapazität für eine Stahlmembran (h = 1 mm, 0 = 5 mm) dargestellt. Die einzelnen Kurven a bis e entsprechen verschiedenen Abständen zwischen der Gate-Elektrode bzw. der Stahlmembran und dem Source-Drain-Kanal. Diese Abstände sind mit dg bezeichnet.
Im Fall eines größeren Überdrucks wirkt der Source-Drain- Kanal als mechanischer Anschlag für die Stahlmembran. Es käme dabei zu einem elektrischen Kurzschluß zwischen der Stahlmem- bran als Gate-Elektrode und dem Source-Drain-Kanal. Eine Ab¬ hilfe bringt dabei das Aufbringen einer dünnen, isolierenden Schutzschicht in Form eines Oxids auf dem Source-Drain-Kanal oder evtl. auch auf der Stahlmembran. Das Aufbringen der Oxid¬ schicht bedeutet somit eine zusätzliche, serielle, konstante Kapazität, die bei der Gesamtkapazität zu berücksichtigen ist. Bei den Kurven a, c und d der Fig. 8 ist eine solche Oxidschicht berücksichtigt, deren Dicke mit dox bezeichnet ist.
Die einzelnen Kurven sind für folgende Werte dargestellt:
a: dg = 0,8 μm, dgx = 0,1 μm b: dg = 0,8 μm, dgx = 0 c: dg = 1,0 μm, dgx = 0,2 μm d: g = 1,0 μm, dgx = 0,1 μm e: dg = 1,0 μm, dox = 0 f: dg = 1,5 μm, d x = 0 Die angegebenen Werte sind beispielhaft und können je nach Ge¬ gebenheiten variiert werden. Prinzipiell kann bei unveränder¬ ter FET-Struktur, das heißt unveränderter Source-Elektrode, Drain-Elektrode und Source-Drain-Kanal, durch Änderung der Membrangeometrie, ihres Abstands zum Source-Drain-Kanal und evtl. einer Änderung des Membranmaterials, eine sehr einfache und kostengünstige Anpassung an unterschiedliche Meßbereiche durchgeführt werden. Durch geeignete Wahl der verschiedenen, geometrischen Abmessungen ist die Linearität und Empfindlich- keit beeinflußbar.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von Drucksen¬ soren können dadurch zu Sensoren für die Messung der Beschleu¬ nigung ausgerüstet werden, daß im Zentrum der elastischen Mem- branen eine zusätzliche Masse aufgebracht wird, wobei die Mem¬ bran als Feder wirkt. Es wird dann ein beschleunigungsabhängi¬ ges Stromsignal erhalten. Auch hier wird eine Meßbereichsan¬ passung durch Variation der mechanischen Größen der Gate-Elek¬ trode erreicht. Für Absolutwertmessungen ist auch hier eine, nachfolgend beschriebene Offsetkompensation, notwendig. Bei dynamischen Beschleunigungsmessungen kann dies entfallen bzw. kann diese durch eine Hochpaßfilterung des Signalstroms er¬ setzt werden.
Durch gezielte, mechanische Verteilung einer zu messenden
Kraft auf die Gate-Elektrode können, ebenso wie Drücke, auch Kräfte gemessen werden.
Die beschriebenen Sensoren sind auch geeignet zur Messung von kleinen Wegen im μm-Bereich, beispielsweise von Hüben und Schwingungen, wie sie bei in Resonanz betriebenen Elementen für Feuchte essungen, Druckmessungen, etc. verwendet werden.
Anhand der Schaltung nach Fig. 9 wird die elektrische Beschal- tung der erfindungsgemäßen Sensoren erläutert.
Bezüglich der Gate-Elektrode sind zwei prinzipielle Möglich¬ keiten zu unterscheiden: - Die Membran besteht aus Metall und wird direkt als Gate- Elektrode benutzt,
- die Membran besteht aus einem Isolator, auf dem die Gate- Elektrode aufgebracht wird.
Da es unpraktisch ist, im Falle der metallischen Membran diese elektrisch vollkommen vom in der Regel metallischen Gehäuse zu isolieren und andererseits im Fall eines flüssigen Druckmediums dieses normalerweise mehr oder weniger leitfähig ist, bietet sich für einen solchen Drucksensor die Gate-Schal¬ tung an, das heißt, die Gate-Elektrode befindet sich auf Masse- bzw. Gehäusepotential.
In Fig. 9 ist eine an sich bekannte Schaltung der FET-Struk¬ tur als Konstantstromquelle ohne Hilfsspannung dargestellt, wobei die Drain-Elektrode mit D, die Source-Elektrode mit S und die Gate-Elektrode mit G bezeichnet sind. Weiter ist ein Abgleichwiderstand Rg nach der Source-Elektrode S angebracht.
Bei der dargestellten Schaltung könnte die Gate-Elektrode ebenfalls auf Massepotential gelegt werden, wobei lediglich die Leitung parallel zum Abgleichwiderstand Rg durch die ge¬ strichelt eingezeichnete Leitung ersetzt werden müßte.
Bei Verwendung des FET als Konstantstromquelle würde in der Fertigung durch Abgleich des Widerstandes Rg bei einem Druck von Null bar ein konstanter Strom eingestellt, der sich bei variierendem Druck entsprechend erhöht. Da bekanntlich der Temperaturkoeffizient der Steuerspannung UQS eines FET vom Drain-Strom IQ abhängt, kann es zweckmäßig sein, die Strom¬ stärke bei einem Druck von Null bar so zu wählen, daß der Temperaturkoeffizient etwa Null wird.
Die Druckabhängigkeit der Gate-Kapazität und somit des Aus- gangssignals haben in erster Näherung folgende Form:
Figure imgf000014_0001
Daher muß der durch Cg beim Druck von Null bar bedingte Off- set des Drucksignals kompensiert werden. Vorteilhaft wird dies in einer Differenzschaltung mit einer zweiten, gleichen Struktur realisiert, dessen Gate-Kapazität jedoch nicht mit dem Druck variieren kann. Dies hat auch den Vorteil, daß evtl. Temperaturabhängigkeiten des Offset in einfacher Weise beseitigt werden. Eine Kompensation könnte jedoch auch als rein elektronische Offsetkompensation des Signals erfolgen. Eine einheitliche Empfindlichkeit der gefertigten Sensoren kann durch einen Abgleich der dem Sensor nachgeschalteten Ver¬ stärkerschaltung erreicht werden.
In Fig. 10 ist zusammenfassend ein Blockschaltbild eines er¬ findungsgemäßen Drucksensors dargestellt, wobei die Membran- Gate-Kapazität 32 durch die Gate-Spannung 33 die Source- Drain-Spannung 34 und den anliegenden Druck 35 beeinflußt wird. Der daraus resultierende Strom 36 bzw. eine Stromände¬ rung wird in eine Spannung 37 umgeformt, die mit einer Offset¬ kompensation 38 beaufschlagt ist. Ein so aufbereitetes Signal wird einem Verstärker 39 zugeführt und steht anschließend als Drucksignal 40 zur Verfügung.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor, insbesondere Drucksensor, bestehend aus einer Feld¬ effekttransistor-Struktur (FET-Struktur) mit einer Source- Elektrode (3) und einer Drain-Elektrode (4) sowie einem Source-Drain-Kanal (7) und einer darüber veränderbar liegen¬ den Gate-Elektrode, wodurch die Gate-Kapazität bestimmt ist und wobei sich bei Veränderung der Gate-Elektrode die Gate- Kapazität ändert und damit durch Ladungsinfluenz im Source- Drain-Kanal (7) der FET-Strom als Sensorsignal steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckmembran (5, 10, 15, 18, 21) in die Gate-Kapazität integriert ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi¬ schen der Gate-Elektrode (6) und dem Source-Drain-Kanal (7) und mit diesem verbunden als Druckmembran ein elastisches Iso¬ liermaterial bzw. Dielektrikum (5) vorgesehen ist, so daß sich bei einer Druckeinwirkung auf die Gate-Elektrode (6) die Dicke des Dielektrikums (5) und damit die Gate-Kapazität ändert.
3. Sensor nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Isoliermaterial (5) verwendet ist, das bei einer Druckbeaufschlagung zusätzlich zur Volumen- bzw. Dickenände¬ rung auch eine Änderung der Dielektrizitätskonstante zeigt.
4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Isoliermaterial (5) eine Folie und/oder eine Lackschicht ist.
5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Druckmembran als elastische Membran (10, 15, 18, 21) ausgebil¬ det ist, die über Abstandshalter (12) in einem bestimmten Ab¬ stand über dem Source-Drain-Kanal (7) angeordnet ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab- standshalter ringförmig als Spacerring (12) geschlossen sind und dadurch zwischen der elastischen Membran (10, 15, 18, 21) und dem Bereich des Source-Drain-Kanals (7) ein gasdichter Raum (13) geschaffen ist, in dem als Isolator Vakuum oder Gas vorgesehen ist.
7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (12) auch den Bereich der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode und ggfs. weiterer signalaufbereiten¬ der Schaltungen umfassen.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die elastische Membran eine elektrisch leitende Membran, insbesondere eine Metallmembran (10, 21) ist, die als Gate-Elektrode verwendet ist.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die elastische Membran eine elektrisch nicht leitende Membran (15), insbesondere eine Glas- oder Keramik¬ membran ist, auf die zum Source-Drain-Kanal (7) hinweisend eine elektrisch leitfähige Gate-Elektrode (16) aufgebracht, bevorzugt aufgedampft, ist.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß in einem mittleren Bereich der Druckmembran ein Gewicht aufgebracht ist, so daß der Sensor als Beschleuni- gungssensor verwendbar ist.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die FET-Struktur (3, 4, 7) in Silizium-Technik aufgebaut ist.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die FET-Struktur (3, 4, 7) in Dünnschichttech¬ nik aufgebaut ist.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die elastische Membran als Deckel (18) eines Sensorgehäuses (19) ausgeführt und mit dem Gehäuse durch eine druckdichte Schweißnaht, insbesondere eine Laserschweißnaht (41), verbunden ist.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die elastische Membran als zylindrische Scheibe (21) mit einer Verkupferung am Rande ausgeführt ist, die in eine entsprechende Bohrung (22) an einem Sensorgehäuse einge- preßt wird.
15. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Bereich des Source-Drain-Kanals (7) als mechanischer Anschlag für die elastische Membran (10, 15, 21) dient und dieser Bereich mit einer dünnen Isolierschicht, ins¬ besondere einer Oxidschicht, beaufschlagt ist.
16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Gate-Elektrode in der elektrischen Beschal- tung auf Massepotential gelegt ist und die FET-Struktur in an sich bekannter Weise als Konstantstromquelle ohne Hilfs¬ spannung geschaltet ist.
17. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn- zeichnet, daß ein im Aufbau gleicher, zweiter Sensor vorge¬ sehen ist, dessen Gate-Kapazität nicht druckabhängig ist, der zur Kompensierung des Offsets des Drucksignals und ggfs. dessen Temperaturabhängigkeit in einer Differenzschaltung mit dem ersten Sensor verbunden ist.
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