WO2001040751A1 - Halbleiter-drucksensor und messanordnung - Google Patents

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WO2001040751A1
WO2001040751A1 PCT/DE2000/004167 DE0004167W WO0140751A1 WO 2001040751 A1 WO2001040751 A1 WO 2001040751A1 DE 0004167 W DE0004167 W DE 0004167W WO 0140751 A1 WO0140751 A1 WO 0140751A1
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membrane
measuring
resistors
compensation
pressure sensor
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PCT/DE2000/004167
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Inventor
Joerg Muchow
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2275—Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for non linearity
    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
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    • G01L9/02—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 by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—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 by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor and a measuring arrangement for measuring the differential pressure to which a membrane of the pressure sensor is exposed, in particular for the low pressure range, according to the type of the respective independent patent claim.
  • a micromechanical semiconductor pressure sensor which has a frame made of a semiconductor substrate and a membrane arranged on the frame.
  • Four piezoresistive measuring resistors are attached to the membrane, which change their resistance value when the membrane or the resistors are deformed (as a result of a differential pressure between the top and the bottom of the membrane).
  • Two of the four resistors are parallel to each other near the centers of the boundary lines of the membrane.
  • the pressure sensor has four compensation resistors, two of which are arranged parallel to one another and perpendicular to the measuring resistors on the frame of the pressure sensor.
  • All resistors form a Wheatstone measuring bridge, which is compensated for an existing temperature hysteresis, the output signals of which are picked up at diagonally opposite corners of the sensor.
  • Each measuring resistor in the Wheatstone measuring bridge experiences its individual hysteresis compensation through a compensation resistor assigned to it.
  • the output voltage of the measuring bridge as a function of the differential pressure between the two sides of the membrane shows an undesirable non-linearity, especially when measuring low differential pressures.
  • the pressure sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the undesirable non-linearity, especially at low differential pressures and / or measurements in the low pressure range, is compensated, so that pressure measurements can be carried out precisely and inexpensively with the pressure sensor according to the invention.
  • An example of a measurement of low differential pressures is a situation in which a pressure on one side of the sensor membrane is between 0 and 50 mbar higher than the pressure on the other side of the membrane.
  • the measures listed in the dependent claims allow advantageous developments and improvements of the pressure sensor specified in claim 1. It is particularly advantageous to arrange four measuring resistors on the membrane, which are connected as a Wheatstone measuring bridge, and to compensate the output signal of this Wheatstone measuring bridge with the output signal of another Wheatstone measuring bridge, the further Wheatstone measuring bridge, a so-called compensation bridge, being provided by two in the membrane Compensation resistors and two frame resistors arranged in the frame of the sensor is formed.
  • the measuring resistors in each case at a location on the membrane which experiences a largely maximum longitudinal and preferably also a maximum transverse bending stress of the membrane, as a result of which a largely maximum change in resistance is brought about.
  • a Wheatstone measuring bridge formed from the measuring resistors shows a non-linearity as a function of the pressure of about 1 to 2 percent.
  • the compensation resistances provided on the membrane in each case at a location on the membrane which has a largely minimal longitudinal and preferably also minimal transverse bending stress of the membrane. At such a location, only the membrane tension of the membrane largely acts on the compensation resistor in question. Are those provided at these locations of the membrane
  • Compensation resistors connected to the frame resistors provided on the frame of the sensor to form a compensation bridge, the output signal of the compensation bridge as a function of the differential pressure between the two sides of the membrane shows a largely non-linear dependency, in particular a largely quadratic dependency, on the differential pressure.
  • the output signal of the Wheatstone measuring bridge formed from the measuring resistors also shows a non-linear, in particular quadratic dependency relationship on the differential pressure
  • the output signal of the Wheatstone measuring bridge can be directly or indirectly after the conversion of the respective output signals into another electrical quantity, such as for example, by the output signal of the compensation bridge an electrical current to be compensated.
  • a voltage as a function of the differential pressure is obtained which has an opposite sign with respect to the output voltage of the Wheatstone measuring bridge. This enables the quadratic dependence of the output voltage of the Wheatstone measuring bridge to be compensated for in a technically particularly simple manner, which will be discussed in more detail below.
  • the compensation is carried out by subtracting the output voltages of the Wheatstone measuring bridge and the compensation bridge, each converted into electrical currents.
  • the currents generated by the two U1 converters have an opposite sign and the subtraction of the two electrical currents results in a resulting electrical current, the current intensity of which shows a largely linear course as a function of the pressure.
  • the output signal of the compensation bridge or an electrical quantity corresponding to the output signal of the compensation bridge is provided amplify and use the amplified electrical quantity to compensate for the non-linearity of the Wheatstone measuring bridge.
  • the amplification of the output signal of the compensation bridge or the electrical quantity adequate for this signal is preferably carried out by such a factor that the output signal of the Wheatstone measuring bridge compensated by the amplified electrical quantity (or the electrical quantity adequate for this output signal) exhibits a largely linear behavior. It goes without saying that the electrical quantity formed from the nonlinear output signal of the compensation bridge and used for the compensation cannot be amplified too much in order to avoid overcompensation and the resulting nonlinearity.
  • the frame of the pressure sensor and preferably also the membrane of the pressure sensor is formed entirely or partially by silicon, since this material enables the sensor element and measuring arrangement or evaluation electronics to be integrated on one chip.
  • the frame and membrane is particularly advantageous to manufacture from a silicon substrate that is used in a (100) orientation.
  • the membrane can be produced in a simple manner by etching the silicon substrate with a potassium hydroxide paste.
  • a silicon substrate with this orientation has two directions in the substrate surface in which the conductivity is particularly sensitive to the deformation of the membrane.
  • the measuring resistors and / or the compensation resistors have an electrical resistance which is greater than 1 k ⁇ .
  • Figure 1 is a representation of the principle of a semiconductor pressure sensor according to the invention with a membrane - in plan view.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of a semiconductor pressure sensor according to the invention - in plan view
  • FIG. 3 shows the semiconductor pressure sensor according to the invention from FIG. 2 along the section line A - B from FIG. 2 - in cross section; 4 shows a block diagram of a compensation circuit according to the invention, on the basis of which the adjustment concept according to the invention is explained in more detail using a semiconductor pressure sensor according to the invention; and
  • Fig. 5 shows another embodiment of a semiconductor pressure sensor according to the invention - in plan view.
  • the semiconductor pressure sensor 1 shown in a schematic representation in FIG. 1 has a frame 2 formed from a silicon substrate and a membrane 3 held by the frame on its top surface.
  • the frame 2 and the membrane 3 are formed from a silicon substrate by masking and then etching the back of the pressure sensor 1 shown in FIG. 1.
  • a potassium hydroxide etch (KOH etch) is preferably used to produce a truncated pyramid-shaped recess tapering towards the underside of the membrane 3 - for the recess cf. the recess 41 in FIG. 3.
  • KOH etch potassium hydroxide etch
  • the truncated pyramid-shaped recess below the membrane 3 results in the preferred use of a silicon substrate which has a (100) orientation, because a KOH etch has different etching rates in the [100] and the [110] crystal direction of silicon shows.
  • a membrane edge "separates" the frame 2 from the membrane 3.
  • the membrane can also be thinner or thicker depending on the specific application of a pressure sensor according to the invention. It is also possible to apply concepts according to the invention to membranes which have regions of different thickness. Examples of such membranes are membranes with a rigid center (so-called boss membranes) and / or with rigid edge areas. Furthermore, it can be expedient to use a pressure sensor according to the invention which has a membrane which has a different outline.
  • One way to produce a temperature below the membrane resistance is diffuse doped in an n-doped p ⁇ membrane regions (base diffusion).
  • An epitaxial layer is then subsequently grown and the membrane is etched using a so-called pn stop.
  • the resistors are preferably piezoresistive resistors with an outline which is largely rectangular in plan view, the resistance value of which changes when the resistor or the membrane is mechanically deformed at the location of the resistor in question.
  • the resistors are preferably formed by suitably doped regions of the membrane.
  • resistors of a different design the resistance value of which also depends on the deformation of the resistor in question and which are provided, for example, on or in the membrane.
  • a resistance provided on or under the membrane could, for example, be masked by the membrane in the area of the area to be manufactured Resistance and subsequent coating with a suitable material.
  • a "buried" resistance can also be generated in the membrane.
  • the subsequently described geometry of the pressure sensor according to the invention is merely a preferred embodiment of the invention; numerous other embodiments are possible.
  • the compensation resistors 7 and 10 lying on the outline of an imaginary, rounded rectangle in FIG. 2 can each also lie on another point of such an outline.
  • the outline in question would be approximately a rounded square and, for a circular membrane, a circle.
  • Theoretically preferred is the arrangement of the membrane compensation resistors within the membrane in question, i.e. exactly on the neutral fiber of the membrane, because in this area only the membrane tension and not the bending tension acts on the compensation resistors. Since such an arrangement is (at least currently) technically difficult to implement, in practice the compensation resistances are preferably diffused into the surface of the membrane in question.
  • the longitudinal axis of the measuring resistor 5 which like all other piezoresistive resistors - in plan view - has a largely rectangular outline, in the direction of "twelve o'clock" and is in the near the upper membrane edge of the membrane 3 introduced into this.
  • the longitudinal axis of the compensation resistor 7 extends transversely to the longitudinal axis of the measuring resistor 5 and an imaginary perpendicular to its longitudinal axis approximately coincides with the longitudinal axis of the measuring resistor 5.
  • the compensation resistor 7 is somewhat outside the center of the membrane 3 between the Center of the membrane 3 and the measuring resistor 5 introduced into this.
  • the measuring resistor 14 introduced into the membrane 3 is displaced in parallel with respect to the measuring resistor 5 and an imaginary perpendicular to the longitudinal axis of the measuring resistor 14 points with one end approximately towards the center of the membrane 3 and with its other end approximately in the direction of "three o'clock ".
  • the measuring resistor 14 is located somewhat away from the right membrane edge of the membrane 3 in this.
  • the measuring resistor 8 is arranged such that the longitudinal axis of the measuring resistor 5 coincides approximately with the longitudinal axis of the measuring resistor 8 and it is arranged largely mirror-symmetrically to the measuring resistor 5 on the opposite side of the membrane 3.
  • Compensation resistor 10 extends transversely to the measuring resistor 8.
  • the measuring resistor 11 in the membrane 3 runs largely parallel and at the same height as the measuring resistor 14. It is largely mirror-symmetrical to the measuring resistor 14 on the - with respect to the measuring resistor 14 - opposite side of the membrane 3 in the vicinity of the left membrane edge of the membrane 3 introduced into this.
  • the compensation resistor 16 is arranged on the frame 2 of the semiconductor sensor 1 approximately parallel to the measuring resistor 14.
  • the compensation resistor 13 is located on the frame 2 of the semiconductor sensor 1 on the opposite side of the frame 2, the longitudinal axis of which is largely parallel to the longitudinal axis of the measuring resistor 11 proceeds.
  • the compensation resistor 13 is approximately at the same level as the measuring resistor 11.
  • the measuring resistors 5 and 14 and the measuring resistors 11 and 8 each form a branch of a measuring bridge (cf. item 50 in Fig. 4), i.e. the measuring resistor 11 is connected to the measuring resistor 8 and the measuring resistor 5 is connected in series with the measuring resistor 14.
  • the compensation resistors 13 and 10 and the compensation resistors 7 and 16 each form a branch of a compensation bridge (cf. position 51 in FIG. 4), i.e. the compensation resistor 13 is with the
  • Compensation resistor 10 and the compensation resistor 7 are connected in series with the compensation resistor 16.
  • the branch of the measuring bridge formed from the measuring resistors 11 and 8 and the branch of the measuring bridge each formed from the measuring resistors 5 and 14 are connected in parallel to one another.
  • the branches of the compensation bridge formed from the compensation resistors 13 and 10 and 7 and 16 are connected in parallel.
  • a contact field 17 for connecting the supply voltage of the semiconductor sensor 1 according to the invention is in electrical connection with the input of the measuring bridge, which is formed by the measuring resistors 11 and 5 connected in parallel. Furthermore, the contact field 17 is in electrical connection with the input of the compensation bridge, which is formed by the compensation resistors 13 and 7 connected in parallel. Contact fields 68 and 67 form the output of the measuring bridge and contact fields 69 and 70 form the output of the compensation bridge.
  • the voltage supply for the semiconductor pressure sensor 1 according to the invention is connected to the contact fields 17 and 28, via which the measuring and compensation bridges are each supplied with electrical voltage.
  • the contact field 28 is the so-called bridge base point.
  • the on the voltage applied to the measuring outputs of the measuring bridge (50) is tapped by the sensor 1 and fed to the compensation circuit 300 shown in FIG. 4.
  • Compensation resistors 13 and 10 are connected in series, with a contact field 69 in an electrical connection.
  • a contact field 70 is connected to the electrical line, which effects the series connection of the compensation resistors 13 and 10. Via the contact fields 69 and 70, the electrical voltage applied to the measurement outputs of the compensation bridge (51) can be tapped by the sensor 1 and fed to the compensation circuit 300 shown in FIG. 4.
  • the contact fields 17, 68, 69, 28, 67 and 70 are arranged on the frame 2 of the pressure sensor 1 shown in FIG. 1.
  • the electrical connections between the contact fields and the resistors or between the different resistors is preferably achieved by low-resistance conductor tracks, the connection of which to the resistors is shown schematically in FIG. 1 and in a specific embodiment in FIG. 2.
  • the conductor tracks or electrical connections are preferably used to form the measuring bridge and the
  • FIG. 2 shows the layout of a preferred embodiment of the semiconductor pressure sensor according to the invention, shown schematically in FIG. 1, in a top view. Unless stated otherwise below, the layout of the semiconductor pressure sensor 200 shown in FIG. 2 is identical to the semiconductor sensor 1 shown in FIG. 1, except that FIG. 1 is a schematic illustration of a semiconductor pressure sensor according to the invention shows.
  • the semiconductor pressure sensor 200 shown in FIG. 2 differs from the semiconductor pressure sensor 1 shown in FIG. 1 in that the measuring resistor 5 of FIG. 1 in FIG. 2 by two measuring resistors 5 and 6, the measuring resistor 14 by two Measuring resistors 14 and 15, the measuring resistor 8 is formed by two measuring resistors 8 and 9 and the measuring resistor 11 by two measuring resistors 11 and 12.
  • a series connection of two measuring resistors 5, 6; 14, 15; 8, 9; and 11, 12 is provided, it is possible in a technically simple manner to form a resistance of the measuring bridge 50 which is formed from two measuring resistors connected in series and which has a high resistance value, preferably of at least 1 k ⁇ .
  • the current consumption of a semiconductor pressure sensor according to the invention can be significantly reduced.
  • the series connection of two measuring resistors makes it possible to produce "a" high-resistance measuring resistor by suitable doping of the membrane 3 of the semiconductor pressure sensor 200.
  • the "offset" can be minimized and the ratio of the piezoresistance to the resistance of the leads can be maximized, which results in a maximum sensitivity of the measuring arrangement.
  • the resistors shown in FIG. 4 as individual resistors of the Wheatstone measuring bridge 50, in accordance with the preferred embodiment of the pressure sensor 200 shown in FIG. 2, are actually two measuring resistors connected in series.
  • the frame resistors 13 and 16 arranged on the frame 2 of the pressure sensor 200 are each not parallel to the measuring resistors 11 and 14 run. Although these are also approximately at the same height as the adjacent measuring resistors 11 located on the membrane 3,
  • the compensation resistors 13 and 16 arranged on the frame 2 each lie approximately half on the part of the frame which is formed by the non-etched silicon substrate and half on the transition region 4 between the silicon substrate and the membrane 3 a space-saving arrangement can also be achieved, so that the area of the silicon substrate required as a whole is minimized or the space saved can be used for the complete or partial implementation of the compensation circuit shown in FIG. 4 on the frame 2. 2, it is striking that the contact fields 17, 69, 28 and 70 are arranged approximately at the corners of the membrane on the upper side of the semiconductor pressure sensor 200 in the transition region 4. This advantageously results in a clear possibility for the external connection of the semiconductor pressure sensor 200 to a voltage supply and the possibility of tapping the voltage at the measurement outputs of the compensation bridge.
  • connection of the semiconductor pressure sensor 200 is possible without negative effects on the deformation behavior of the membrane 3.
  • 4 contact tongues 67 and 68 are provided on the upper side of the semiconductor pressure sensor 200 in the transition region, via which the voltage at the measuring outputs of the Wheatstone measuring bridge formed from the measuring resistors is tapped and also how the signals or the voltage at the measuring outputs of the Compensation bridge 51 can be fed via the contact surfaces 69 and 70 to the compensation circuit 300 shown in FIG. 4.
  • the conductor tracks connecting the measuring resistors are arranged, as far as possible, parallel to the respective membrane edge in their immediate vicinity on the transition region 4. As a result, the conductor tracks that connect the measuring resistors can be kept as short as possible and thus with low resistance.
  • the conductor tracks that connect the compensation resistors 13 and 16 arranged on the frame 2 to the compensation bridge run on the left or right side of the frame and, in contrast to the conductor tracks that connect the measuring resistors, have a greater distance from them adjacent membrane edges.
  • the contact field 17 is connected via a feed line 20 to one connection of the compensation resistor 7.
  • the other connection of the compensation resistor 7 is connected to the contact field 69 via a feed line 21.
  • the contact field 69 is electrically connected via a conductor track 19 to a connection point 23, which in turn is connected to one connection of the compensation resistor 16 via a conductor track 24.
  • the other connection of the compensation resistor 16 is connected to a contact point 26 via a feed line 25.
  • the contact point 26 is connected via a conductor track 27 to a crossing point, which in turn is formed by a conductor track which is connected to a conductor track 37 which contacts a connection of the measuring resistor 14.
  • the crossing point is connected to a conductor track 40 which electrically contacts a connection of the measuring resistor 9. Finally, the crossing point is still in electrical connection with the contact field 28, which in turn is connected to a connection of the compensation resistor 10 via a conductor track 35.
  • the other connection of the compensation resistor 10 is connected to the contact field 70 via a conductor track 34, which in turn is in electrical connection with a contact point 31 via a conductor track 32.
  • a conductor track 30 connects the contact point 31 to a connection of the compensation resistor 13.
  • the other connection of the compensation resistor 13 is in an electrical connection via a conductor track 29, contact point 22 and subsequently via a conductor track 18 to the contact field 17, as a result of which the compensation bridge 51 is finally formed ,
  • the contact field 17 is also connected via the conductor track 18 to a connection of the measuring resistor 5, the other connection of which is connected to a connection of the measuring resistor 6 via a contact bridge.
  • the other connection of the measuring resistor 6 is connected via a conductor track 36 to a connection of the measuring resistor 15.
  • the conductor track 36 is provided with the contact tongue 68, which points upward away from the membrane 3 into the transition region 4.
  • the other connection of the measuring resistor 15 is via a contact bridge with a connection of the measuring resistor 14 connected.
  • the other connection of the measuring resistor 14 is contacted by the conductor track 37.
  • the conductor track 40 connected to the conductor track 37 contacts a connection of the measuring resistor 9, which is connected to a connection of the measuring resistor 8 via a contact bridge.
  • the other connection of the measuring resistor 8 is in electrical connection with a connection of the measuring resistor 11 via a conductor track 39.
  • the conductor track 39 partially consists of the contact tongue 67, which points away from the membrane 3 into the transition region 4.
  • the other connection of the measuring resistor 11 is connected via a contact bridge to a connection of the measuring resistor 12, the other connection of which is electrically connected via a conductor track 38 to the conductor track 18 and the contact field 17, whereby the measuring bridge 50 is finally formed.
  • the resistors formed by suitable doping of the membrane 3 have an approximately semicircular cross section.
  • ⁇ R / R o relative change in resistance of a piezoresistive resistor as a function of the differential pressure between the two sides of the membrane;
  • ⁇ p the differential pressure between the two sides of the membrane
  • x, y, z the spatial coordinates of the specific location of the piezoresistive resistor (reduced to a single point for the sake of simplicity) with respect to the membrane;
  • a a factor that depends on the piezoresistive resistor in question, its location in relation to the specific membrane, the specific membrane and the specific sensor;
  • b a factor that depends on the piezoresistive resistance in question, its location in relation to the specific membrane, the specific membrane and the specific sensor;
  • b ( ⁇ p) 2 location-independent quadratic part of the relative resistance change due to the change in the location-independent membrane tension.
  • the factor b of the quadratic term of equation (1) above is significantly smaller than the factor a of the linear term of the relative change in resistance of a piezoresistive resistor arranged in a membrane as a function of the differential pressure between the two sides of the membrane. If the differential pressure between the two sides of the membrane is relatively low, the relative change in resistance is largely determined by the linear term of equation (1).
  • a piezoresistive resistor in a micromechanical semiconductor sensor for measuring a pressure in the low pressure range used, in the semiconductor sensor according to the invention typically a range of about 0 to 50 mbar, and if the membrane separates the low-pressure range from the vacuum, for example, the quadratic term of the equation becomes with increasing differential pressure, i.e.
  • a first essential aspect of the invention to solve this problem consists in dimensioning the shape or dimensions of the measuring resistor (s) introduced into the membrane of a micromechanical semiconductor pressure sensor according to the invention (see FIGS. 1, 2 and 3) such that they can be introduced into the membrane at such locations or locations where the total stress, which is essentially composed of the linear bending stress and the square membrane stress, is large, preferably largely maximum.
  • a second essential aspect of the invention to solve the problem of non-linearity is to design one or more membrane compensation resistors (see FIGS. 1, 2 and 3), in their shape and in their dimensions, in such a way that they are in one place or a location of the membrane can be arranged at which in each case only the membrane voltage, which is square with the differential pressure, acts on the relevant membrane compensation resistor.
  • a location or location for the membrane compensation resistor (s) in the membrane is therefore preferably selected at which there is a minimal bending stress of the membrane.
  • FIG. 3 A cross section through a sensor element is shown in FIG. If there is a deformation of the membrane 3 upwards in FIG. 3, the measuring resistors 8 and 5, which lie on the top of the membrane 3, are subjected to compressive stresses. Between these two resistances, approximately in the middle of the membrane, tensile stresses are applied to the upper side of the membrane, ie if the membrane is deformed upward, the upper side of the membrane has compressive stresses in the edge area and tensile stresses in the middle. There is a neutral zone between these areas with compressive and tensile stresses, in which no bending stresses occur.
  • the compensation resistors are arranged at these locations and are then not subjected to bending stresses.
  • the compensation resistances are thus not subjected to the linear bending stresses, but only to the membrane stresses, which show a quadratic dependence on the pressure and are the same everywhere on the membrane. If the membrane, as shown in FIG. 3, is deformed downward, the edge regions of the membrane, in which the measuring resistors 5 and 8 are arranged, are subjected to tensile stresses and a central area of the membrane is subjected to compressive stresses. Between these tensile and compressive stresses there is again an area in which no bending stresses occur on the upper side of the membrane and in which the compensation resistors 7 and 10 are then arranged accordingly.
  • the location must be determined at which no bending stresses occur on the top of the membrane. This determination can be found with the aid of calculations, in particular finite element calculations, or can be determined by measurement.
  • the measurement and / or compensation resistances of the membrane are preferably introduced into the membrane by masking and subsequent suitable local doping of the unmasked locations.
  • the compensation resistor (s) By arranging the compensation resistor (s) at this location or locations on the membrane, in contrast to other locations or locations on the membrane that do not have these properties, there is a relative change in resistance of the compensation resistance or the compensation resistances as a function of Differential pressure between the top and bottom of the membrane, which shows a largely square course.
  • the linear term of the above equation (1) for the relative change in resistance is largely minimal or zero and the relative change in resistance is essentially determined by the membrane voltage.
  • the membrane tension is independent of location with respect to the membrane and shows a quadratic pressure dependence. A resistance that is located at a location on the membrane where both the longitudinal and the transverse bending stress is largely zero, therefore only experiences approximately the membrane stress.
  • the frame resistances not provided in the membrane, arranged on or within the framework of the pressure sensor according to the invention, are largely independent of pressure, because a pressure acting on the top or bottom of the membrane leads to very little deformation of the frame, the deformation of the frame compared to the deformation the membrane is very small.
  • Piezoresistive resistors are preferred; however, it goes without saying that one or more other resistors can also be used instead of piezoresistive resistors which have all or part of the properties mentioned.
  • U M ßbruce electrical voltage due to the differential pressure ⁇ p between the two sides of the membrane between the two branches of the measuring bridge, which is tapped at the contact fields 67 and 68 of the semiconductor sensor according to the invention;
  • R t electrical resistance of the piezoresistive resistors of the measuring bridge, which depends on the transverse bending stress on the piezoresistive measuring resistors due to the differential pressure ⁇ p between the two sides of the membrane;
  • Ri electrical resistance of the piezoresistive resistors of the measuring bridge, which depends on the longitudinal bending stress on the piezoresistive measuring resistors as a result of the differential pressure ⁇ p between the two sides of the membrane;
  • U v electrical voltage of the supply voltage which is applied to the contact fields 17 and 28 of the semiconductor sensor according to the invention.
  • the compensation bridge formed from two pressure-independent piezoresistive resistors on the frame of the membrane and two pressure-dependent compensation resistors at the locations according to the invention on the membrane of the semiconductor sensor according to the invention has an electrical voltage on the contact fields 69 and 70, the measurement outputs of the compensation bridge, which is caused by the the following equation can be approximately described:
  • U ⁇ ompensat ⁇ onsbrucke ((R-komp - R ⁇ ) / (Rkomp + R ⁇ )) Uv (3)
  • U ⁇ om P ensatonsbruce the electrical voltage of the
  • R omp the electrical resistance of the compensation bridge
  • Compensation bridge and the outputs of the measuring bridge formed by the contact fields 67 and 68 give an output voltage of the compensation bridge (U K ⁇ mpensat ⁇ onsDrucke) as a function of the differential pressure ( ⁇ p), which is an opposite sign compared to the output voltage of the measuring bridge
  • the compensation bridge also has a lower sensitivity than the measuring bridge and the non-linearity of the compensation bridge is significantly higher than the non-linearity of the measuring resistors provided in the membrane or the output signal of the measuring bridge. This is due to the arrangement of the membrane compensation resistors explained above at one location of the membrane with minimal bending stress, at which predominantly only the membrane tension (independent of location and proportional to ( ⁇ p) 2 ) acts on the membrane compensation resistors.
  • An essential aspect of the invention for reducing the non-linearity of the output voltage (see Fig. 4) to a Measuring bridge 50 connected measuring resistors in the membrane now consists in the first electrical current generated by a first voltage / current converter 54 from the non-linear output voltage of the compensation bridge 51 at its output 60 from that by a second voltage / current converter 53 from the non-linear output voltage Measuring bridge 50 to subtract generated second electrical current at its output 59.
  • the interconnection is carried out in such a way that the first electric current has an opposite sign ggu. has the second electric current and the square portions of both currents cancel or compensate for one another in whole or in part. As shown in FIG.
  • the first electrical current to be subtracted from the voltage / current converter 54 of the compensation bridge 51 is amplified before the subtraction in such a way that the absolute value of the portion of the first electrical current at the output 60 which is square with the differential pressure largely corresponds to the absolute value of the corresponds squarely with the differential pressure portion of the second electrical current at output 59.
  • a resulting electrical current then results (see line 61 in FIG. 4), which shows a largely linear course as a function of the differential pressure and is used to determine the differential pressure.
  • the voltage / current converter 54 is provided with a connection 52 for supplying an adjustable adjustment voltage.
  • the resistors preferably have an electrical resistance that is greater than 1 k ⁇ .
  • FIG. 5 shows a top view of a further exemplary embodiment of the pressure sensor according to the invention.
  • the reference numerals 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, again measuring resistors are referred to, which the measuring resistors as for Figure 2 have already been described.
  • These measuring resistors are again arranged in an edge area of the membrane in which the changes in resistance due to bending stresses are at a maximum.
  • compensation resistors 7, 10, 13, 16 are shown, the compensation resistors 7 and 10 corresponding to the compensation resistors 7 and 10, which have already been described in FIG. 2.
  • compensation resistors 13 and 16 are provided on the membrane according to FIG. 5, which correspond to the compensation resistances 13 and 16 of FIG. 2, but, in contrast to FIG. 2, are arranged on membrane 3 in FIG.
  • the membrane consists of single-crystal silicon and all resistors are formed by a corresponding doping in the silicon.
  • the measuring resistors 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15 and the compensation resistors 7 and 10 are arranged parallel to the sides of the rectangular membrane 3. These resistors are thus located in a crystal direction of the silicon in which the electrical resistance depends on internal mechanical stresses (piezoresistive effect).
  • the compensation resistors 13 and 16 are oriented at an angle of 45 ° to the rectangular side walls of the membrane 3. Because of this orientation, the
  • Compensation resistors 13 and 16 located in a crystal direction of the single-crystal silicon membrane 3, in which the dependence of the resistance on mechanical stresses in the single-crystal silicon membrane 3 is minimal.
  • the measuring resistors 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15 and the compensation resistors 7, 10 are located in crystal directions in which a clear piezoresistive effect occurs, i.e. the resistance of these elements strongly depends on internal mechanical stresses in the single-crystal silicon membrane 3.
  • Compensation resistors are again connected to form bridges, as shown in FIG. 4 and described in the associated description.
  • the connection between the individual elements is, however, different in FIG not shown for simplification reasons.
  • Connection areas 100 for the measuring resistors are shown only schematically, which allow contacting of the measuring resistor elements.
  • Compensation resistors 7, 10, 13, 16 are shown schematically connection areas 101 through which the resistors on the membrane 3 are connected to each other. However, it is not shown how the contact is made to the outside. Due to the alignment of the compensation resistors 13 and 16 in a direction in which no piezoresistive effect occurs, these resistors behave as if they were arranged on the frame, ie they show no or only a negligibly small change in resistance due to a deformation of the membrane.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor (1; 200) und einer Messanordnung (300) zur Messung des Differenzdrucks, dem der Drucksensor ausgesetzt ist, insbesondere für den Niederdruckbereich, nach der Gattung des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs. Zur Verbesserung der Linearität des bekannten Drucksensors ist erfindungsgemäss insbesondere vorgesehen, den nichtlinearen Anteil des Ausgangssignals einer Wheatstoneschen Messbrücke (50), die durch vier auf der Membran (3) des Drucksensors vorgesehene Messwiderstände (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15) gebildet ist, durch den nichtlinearen Anteil des Ausgangssignals einer Wheatstoneschen Kompensationsbrücke (54) zu kompensieren, die durch zwei auf der Membran des Drucksensors angeordnete Kompensationswiderstände (7, 10) und zwei auf dem Rahmen (2) des Drucksensors vorgesehene Rahmenwiderstände (13, 16) gebildet ist.

Description

Halbleiter-Drucksensor und Meßanordnung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor und einer Meßanordnung zur Messung des Differenzdrucks, dem eine Membran des Drucksensors ausgesetzt ist, insbesondere für den Niederdruckbereich, nach der Gattung des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs .
Aus der DE 197 01 055 AI ist ein mikromechanischer Halbleiter- Drucksensor bekannt, der einen Rahmen aus einem Halbleitersubstrat und eine auf dem Rahmen angeordnete Membran aufweist. Auf der Membran sind vier piezoresistive Meßwiderstande angebracht, die bei einer Deformation der Membran bzw. der Widerstände (infolge eines Differenzdrucks zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran) ihren Widerstandswert andern. Jeweils zwei der vier Widerstände liegen parallel zueinander in der Nahe der Mitten der Begrenzungslinien der Membran. Ferner weist der Drucksensor vier Kompensationswiderstande auf, wovon jeweils zwei parallel zueinander und senkrecht zu den Meßwiderstanden auf dem Rahmen des Drucksensors angeordnet sind. Alle Widerstände bilden eine in bezug auf eine vorliegende Temperaturhysterese kompensierte Wheatstonesche Meßbrücke, wobei deren Ausgangssignale an einander diagonal gegenüberliegenden Ecken des Sensors abgegriffen werden. Jeder Meßwiderstand in der Wheatstoneschen Meßbrücke erfahrt durch einen ihm zugeordneten Kompensationswiderstand seinen individuellen Hystereseausgleich.
Die Ausgangsspannung der Meßbrücke als Funktion des Differenzdrucks zwischen den beiden Seiten der Membran zeigt insbesondere bei der Messung geringer Differenzdrucke eine unerwünschte Nichtlinearitat . Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemaße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die unerwünschte Nichtlinearitat, insbesondere bei geringen Differenzdrucken und/oder bei Messungen im Niederdruckbereich, kompensiert wird, wodurch mit dem erfindungsgemaßen Drucksensor Druckmessungen präzise und kostengünstig durchgeführt werden können. Ein Beispiel einer Messung von geringen Differenzdrucken ist eine Situation bei der auf der einen Seite der Membran des Sensors ein Druck lastet, der zwischen 0 und 50 mbar hoher ist, als der Druck auf der anderen Seite der Membran.
Durch die in den abhangigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, auf der Membran vier Meßwiderstande anzuordnen, welche als Wheatstonesche Meßbrücke verschaltet sind und das Ausgangssignal dieser Wheatstoneschen Meßbrücke mit dem Ausgangssignal einer weiteren Wheatstoneschen Meßbrücke zu kompensieren, wobei die weitere Wheatstonesche Meßbrücke, eine sogenannte Kompensationsbrucke, durch zwei in der Membran vorgesehene Kompensationswiderstande und zwei in dem Rahmen des Sensors angeordnete Rahmenwiderstande gebildet wird.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es von Vorteil, die Meßwiderstande jeweils an einem solchen Ort der Membran vorzusehen, der eine weitgehend maximale longitudinale und vorzugsweise auch maximale transversale Biegespannung der Membran erfahrt, wodurch eine weitgehend maximale Widerstandsanderung herbeigeführt wird. Im Niederdruckbereich zeigt eine solche aus den Meßwiderstanden gebildete Wheatstonesche Meßbrücke eine Nichtlinearitat als Funktion des Drucks von etwa 1 bis 2 Prozent. Zur Verminderung der Nichtlinearitat ist es vorteilhaft, die auf der Membran vorgesehenen Kompensationswiderstande jeweils an einem solchen Ort der Membran vorzusehen, der eine weitgehend minimale longitudinale und vorzugsweise auch minimale transversale Biegespannung der Membran aufweist. An einem solchen Ort wirkt weitgehend lediglich die Membranspannung der Membran auf den betreffenden Kompensationswiderstand. Werden die an diesen Orten der Membran vorgesehenen
Kompensationswiderstande mit den auf dem Rahmen des Sensors vorgesehenen Rahmenwiderstanden zu einer Kompensationsbrucke verschaltet, so zeigt das Ausgangssignal der Kompensationsbrucke als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran eine weitgehend nichtlineare Abhängigkeit, insbesondere eine weitgehend quadratische Abhängigkeit, vom Differenzdruck.
Da auch das Ausgangssignal der aus den Meßwiderstanden gebildeten Wheatstoneschen Meßbrücke ein nichtlineares, insbesondere quadratisches Abhangigkeitsverhaltnis vom Differenzdruck zeigt, kann das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Meßbrücke durch das Ausgangssignal der Kompensationsbrucke unmittelbar oder mittelbar nach einer Umwandlung der jeweiligen Ausgangssignale in eine andere elektrische Große, wie zum Beispiel ein elektrischer Strom, kompensiert werden. Durch einen entsprechenden Abgriff der Ausgangsspannung der Kompensationsbrucke erhalt man eine Spannung als Funktion des Differenzdrucks, die ein umgekehrtes Vorzeichen in bezug auf die Ausgangsspannung der Wheatstoneschen Meßbrücke aufweist. Hierdurch laßt sich die Kompensation der quadratischen Abhängigkeit der Ausgangsspannung der Wheatstonesche Meßbrücke in technisch besonders einfacher Weise realisieren, worauf nachfolgend noch naher eingegangen werden wird.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel erfolgt die Kompensation durch Subtraktion der jeweils in elektrische Strome umgewandelten Ausgangsspannungen der Wheatstoneschen Meßbrücke und der Kompensationsbrucke. Hierzu wird das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Meßbrücke, eine druckabhangige elektrische Spannung, einem ersten Spannungs-/Stromwandler (Ul-Wandler) zugeführt und das Ausgangssignal der Kompensationsbrucke, ebenfalls eine druckabhangige elektrische Spannung, einem zweiten Spannungs-/Stromwandler . Die von den zwei Ul-Wandlern erzeugten Strome weisen ein umgekehrtes Vorzeichen auf und durch die Subtraktion der zwei elektrischen Strome ergibt sich ein resultierender elektrischer Strom, dessen Stromstarke einen weitgehend linearen Verlauf als Funktion des Drucks zeigt.
Zur weiteren Verbesserung der Linearität des erfindungsgemaßen Drucksensors, ist bei einer erfindungsgemaßen Meßanordnung unter Verwendung eines erfindungsgemaßen Drucksensors vorgesehen, das Ausgangssignal der Kompensationsbrucke bzw. eine dem Ausgangssignal der Kompensationsbrucke entsprechende elektrische Große, wie insbesondere ein zum Ausgangssignal bzw. zur Ausgangsspannung proportionaler elektrischer Strom, zu verstarken und die verstärkte elektrische Große zur Kompensation der Nichtlinearitat der Wheatstoneschen Meßbrücke zu verwenden.
Bevorzugt erfolgt die Verstärkung des Ausgangssignals der Kompensationsbrucke bzw. der diesem Signal adäquaten elektrischen Große um einen solchen Faktor, daß das durch die verstärkte elektrische Große kompensierte Ausgangssignal der Wheatstoneschen Meßbrücke (bzw. der diesem Ausgangssignal adäquaten elektrischen Große) ein weitgehend lineares Verhalten zeigt. Es versteht sich, daß die aus dem nichtlinearen Ausgangssignal der Kompensationsbrucke gebildete und zur Kompensation herangezogene elektrische Große nicht zu stark zu verstarken ist, um eine Uberkompensation und eine hieraus resultierende Nichtlinearitat zu vermeiden.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Rahmen des Drucksensors und vorzugsweise auch die Membran des Drucksensors ganz oder teilweise durch Silizium gebildet wird, da dieses Material die Integration von Sensorelement und Meßanordnung bzw. Auswerteelektronik auf einem Chip ermöglicht. Schließlich ist es noch besonders vorteilhaft, den Rahmen und die Membran aus einem Silizium-Substrat herzustellen, das in einer (100) -Orientierung verwendet wird. Hierdurch laßt sich die Membran in einfacher Weise durch Atzen des Silizium-Substrats mit einer Kaliumhydroxidatze herstellen. Zudem weist ein Silizium-Substrat mit dieser Orientierung zwei [011] -Richtungen in der Substratoberflache auf, in denen die Leitfähigkeit besonders empfindlich auf die Deformation der Membran reagiert. Bevorzugt werden die Meßwiderstande und die
Kompensationswiderstande durch lokal dotierte Bereiche in der Membran bzw. im Rahmen gebildet.
Zur Reduzierung der Stromaufnahme des erfindungsgemaßen Drucksensors ist es besonders vorteilhaft, wenn die Meßwiderstande und/oder die Kompensationswiderstande einen elektrischen Widerstand aufweisen, der großer als 1 kς ist.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht notwendigerweise maßstablichen Zeichnungen naher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Schichten oder Teile bezeichnen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des Prinzips eines erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensors mit einer Membran - in Draufsicht;
Fig. 2 eine bevorzugte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensors - in Draufsicht;
Fig. 3 den erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensor der Fig. 2 entlang der Schnittlinie A - B der Fig. 2 - im Querschnitt; Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemaßen Kompensationsschaltung anhand der das erfindungsgemaße Abgleichkonzept unter Verwendung eines erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensors naher erläutert wird; und
Fig. 5 eine weitere Ausfuhrungsform eines erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensors - in Draufsicht.
Beschreibung
Der m Fig. 1 in einer Prinzip-Darstellung abgebildete Halbleiter-Drucksensor 1 weist einen aus einem Silizium-Substrat gebildeten Rahmen 2 und eine vom Rahmen an dessen Deckflache gehaltene Membran 3 auf.
Der Rahmen 2 und die Membran 3 werden aus einem Silizium- Substrat durch Maskierung und nachfolgende Atzung der Ruckseite des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors 1 gebildet. Vorzugsweise wird eine Kaliumhydroxid-Atze (KOH-Atze) zur Herstellung einer sich in Richtung auf die Unterseite der Membran 3 verjungenden pyramidenstumpfformigen Aussparung mit trapezförmigem Querschnitt verwendet - zur Aussparung vgl. die Aussparung 41 in Fig. 3. Die pyramidenstumpfformige Aussparung unterhalb der Membran 3 ergibt sich bei der bevorzugten Verwendung eines Silizium-Substrats, das eine (100) -Orientierung aufweist, weil eine KOH-Atze unterschiedliche Atzraten in der [100]- und der [110] -Kristall-Richtung von Silizium zeigt.
Die bevorzugt rechteckige Membran 3, die in Fig. 1 durch ein Quadrat mit gestricheltem Umriß bzw. Membrankanten dargestellt ist, weist typischerweise eine Dicke von ca. 5 bis 80 μm auf. Eine Membrankante "trennt" den Rahmen 2 von der Membran 3.
Es versteht sich, daß die Membran in Abhängigkeit von dem konkreten Einsatzzweck eines erfindungsgemaßen Drucksensors auch dunner oder dicker sein kann. Ebenso ist es möglich die erfindungsgemaßen Konzepte auf Membranen anzuwenden, die Bereiche mit unterschiedlicher Dicke aufweisen. Beispiele solcher Membranen sind Membranen mit biegesteifem Zentrum (sogenannte Boss-Membranen) und/oder mit biegesteifen Randbereichen. Ferner kann es zweckmäßig sein einen erfindungsgemaßen Drucksensor zu verwenden, der eine Membran aufweist, die einen anderen Umriß hat.
Die erfindungsgemaße Membran 3 gemäß Fig. 1 weist einen Meßwiderstand 5, einen Kompensationswiderstand 7, einen Meßwiderstand 8 und einen Kompensationswiderstand 10 sowie zwei weitere Meßwiderstande 11 und 14 auf. Außerhalb der Membran 3 sind auf dem Rahmen 2 zwei weitere Kompensationswiderstande 13 und 16 vorgesehen.
Eine Möglichkeit zur Herstellung eines unter der Membran liegenden Widerstands besteht darin, in eine n-dotierte Membran p~-dotierte Bereiche (Basisdiffusion) einzudiffundieren. Nachfolgend wird dann eine epitaktische Schicht aufgewachsen und die Membran mittels eines sogenannten pn-Stops geatzt.
Bei den Widerstanden handelt es sich bevorzugt um piezoresistive Widerstände mit einem - in Draufsicht - weitgehend rechteckigen Umriß, deren Widerstandswert sich bei einer mechanischen Verformung des Widerstands bzw. der Membran am Ort des betreffenden Widerstands ändert. Bevorzugt werden die Widerstände durch geeignet dotierte Bereiche der Membran gebildet.
Es versteht sich, daß anstelle eines Maskierungs- und nachfolgenden Dotierungs-Prozeßschritts der Membran auch anders gebildete Widerstände verwendet werden können, deren Widerstandswert ebenfalls von der Verformung des betreffenden Widerstands abhangt und die beispielsweise auf, in oder unter der Membran vorgesehenen sind. Ein auf oder unter der Membran vorgesehener Widerstand konnte beispielsweise durch eine Maskierung der Membran im Bereich des herzustellenden Widerstands und nachfolgendes Beschichten mit einem geeigneten Material erzeugt werden. Ebenso kann ein "vergrabener" Widerstand in der Membran erzeugt werden.
Wie insbesondere aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung deutlich werden wird, ist die anschließend beschriebene Geometrie des erfindungsgemaßen Drucksensors lediglich eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung; zahlreiche weitere Ausfuhrungsformen sind möglich. So können die in der Fig. 2 auf dem Umriß eines gedachten, abgerundeten Rechtecks liegenden Kompensationswiderstande 7 und 10 jeweils auch auf einem anderen Punkt eines solchen Umrisses liegen. Bei einer quadratischen Membran wäre der betreffende Umriß in etwa ein abgerundetes Quadrat und für eine kreisförmige Membran ein Kreis.
Theoretisch bevorzugt ist die Anordnung der Membran- Kompensationswiderstande innerhalb der betreffenden Membran, d.h. exakt auf der neutralen Faser der Membran, da in diesem Bereich lediglich die Membranspannung und nicht die Biegespannung auf die Kompensationswiderstande wirkt. Da eine solche Anordnung (zumindest derzeit) technisch nur schwierig zu realisieren ist, werden die Kompensationswiderstande in der Praxis bevorzugt in die Oberflache der betreffenden Membran eindiffundiert .
Wenn man die in Fig. 1 dargestellte Membran 3 mit dem Ziffernblatt einer Uhr vergleicht, so weist die Langsachse des Meßwiderstands 5, der wie alle anderen piezoresistiven Widerstände - in Draufsicht - einen weitgehend rechteckigen Umriß aufweist, in Richtung "zwölf Uhr" und ist in der Nahe der oberen Membrankante der Membran 3 in diese eingebracht.
Die Langsachse des Kompensationswiderstands 7 verlauft quer zur Langsachse des Meßwiderstands 5 und eine gedachte Mittelsenkrechte auf dessen Langsachse deckt sich in etwa mit der Langsachse des Meßwiderstands 5. Der Kompensationswiderstand 7 ist etwas außerhalb der Mitte der Membran 3 zwischen dem Zentrum der Membran 3 und dem Meßwiderstand 5 in diese eingebracht .
Der in die Membran 3 eingebrachte Meßwiderstand 14 ist gegenüber dem Meßwiderstand 5 parallel verschoben und eine gedachte Mittelsenkrechte auf der Langsachse des Meßwiderstand 14 weist mit ihrem einen Ende etwa in Richtung auf das Zentrum der Membran 3 und mit ihrem anderen Ende etwa in Richtung "drei Uhr". Der Meßwiderstand 14 befindet sich etwas entfernt von der rechten Membrankante der Membran 3 in dieser. Der Meßwiderstand 8 ist derart angeordnet, daß sich die Langsachse des Meßwiderstands 5 in etwa mit der Langsachse des Meßwiderstands 8 deckt und er ist weitgehend spiegelsymmetrisch zum Meßwiderstand 5 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 3 angeordnet.
Eine gedachte Mittelsenkrechte auf der Langsachse des Kompensationswiderstands 10 deckt sich in etwa mit der Langsachse des Meßwiderstands 8, d.h. der
Kompensationswiderstand 10 verlauft quer zum Meßwiderstand 8. Der zum Kompensationswiderstand 7 weitgehend parallel bzw. spiegelsymmetrisch angeordnete Kompensationswiderstand 10 ist zwischen dem Meßwiderstand 8 und dem Zentrum der Membran 3 angeordnet.
Der Meßwiderstand 11 in der Membran 3 verlauft weitgehend parallel und auf gleicher Hohe wie der Meßwiderstand 14. Er ist weitgehend spiegelsymmetrisch zum Meßwiderstand 14 auf der - in bezug auf den Meßwiderstand 14 - gegenüberliegenden Seite der Membran 3 in der Nahe der linken Membrankante der Membran 3 in diese eingebracht.
In etwa parallel zum Meßwiderstand 14 ist der Kompensationswiderstand 16 auf dem Rahmen 2 des Halbleiter- Sensors 1 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rahmens 2 befindet sich der Kompensationswiderstand 13 auf dem Rahmen 2 des Halbleiter-Sensors 1, wobei dessen Langsachse weitgehend parallel zur Langsachse des Meßwiderstands 11 verlauft. Der Kompensationswiderstand 13 befindet sich in etwa auf gleicher Hohe wie der Meßwiderstand 11.
Wie im Zusammenhang mit Fig. 4 naher erläutert werden wird, bilden die Meßwiderstande 5 und 14 sowie die Meßwiderstande 11 und 8 jeweils einen Zweig einer Meßbrücke (vgl. die Position 50 in Fig. 4), d.h. der Meßwiderstand 11 ist mit dem Meßwiderstand 8 und der Meßwiderstand 5 ist mit dem Meßwiderstand 14 in Reihe geschaltet. Ferner bilden die Kompensationswiderstande 13 und 10 sowie die Kompensationswiderstande 7 und 16 jeweils einen Zweig einer Kompensationsbrucke (vgl. die Position 51 in Fig. 4), d.h. der Kompensationswiderstand 13 ist mit dem
Kompensationswiderstand 10 und der Kompensationswiderstand 7 ist mit dem Kompensationswiderstand 16 in Reihe geschaltet.
Der aus den Meßwiderstanden 11 und 8 sowie der aus den Meßwiderstanden 5 und 14 jeweils gebildete Zweig der Meßbrücke sind zueinander parallel geschaltet.
Ebenso sind die aus den Kompensationswiderstanden 13 und 10 sowie 7 und 16 gebildeten Zweige der Kompensationsbrucke parallel geschaltet.
Ein Kontaktfeld 17 zum Anschluß der Versorgungsspannung des erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensors 1 steht mit dem Eingang der Meßbrücke, der durch die parallel verschalteten Meßwiderstande 11 und 5 gebildet wird, in einer elektrischen Verbindung. Ferner steht das Kontaktfeld 17 mit dem Eingang der Kompensationsbrucke, der durch die parallel geschalteten Kompensationswiderstande 13 und 7 gebildet ist, in einer elektrischen Verbindung. Kontaktfelder 68 und 67 bilden den Ausgang der Meßbrücke und Kontaktfelder 69 und 70 bilden den Ausgang der Kompensationsbrucke. An die Kontaktfelder 17 und 28 wird die Spannungsversorgung für den erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensor 1 angeschlossen, worüber die Meß- und Kompensationsbrucke jeweils mit elektrischer Spannung versorgt wird. Das Kontaktfeld 28 ist der sogenannte Bruckenfußpunkt . Über ein Kontaktfeld 67, das mit der Leitung verbunden ist, die die Reihenschaltung der Meßwiderstande 11 und 8 bewirkt sowie über ein Kontaktfeld 68, das mit der Leitung in einer elektrischen Verbindung steht, die die Meßwiderstande 5 und 14 in Reihe schaltet, kann die an den Meßausgangen der Meßbrücke (50) anliegende elektrische Spannung vom Sensor 1 abgegriffen und der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung 300 zugeführt werden.
Ebenso steht die elektrische Leitung, die die
Kompensationswiderstande 13 und 10 in Reihe schaltet, mit einem Kontaktfeld 69 in einer elektrischen Verbindung. Ein Kontaktfeld 70 steht mit der elektrischen Leitung in Verbindung, die die Reihenschaltung der Kompensationswiderstande 13 und 10 bewirkt. Über die Kontaktfelder 69 und 70 kann die an den Meßausgangen der Kompensationsbrucke (51) anliegende elektrische Spannung vom Sensor 1 abgegriffen und der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung 300 zugeführt werden.
Die Kontaktfelder 17, 68, 69, 28, 67 und 70 sind auf dem Rahmen 2 des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors 1 angeordnet. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktfeldern und den Widerstanden bzw. zwischen den unterschiedlichen Widerstanden wird vorzugsweise durch niederohmige Leiterbahnen erreicht, deren Verschaltung mit den Widerstanden in Fig. 1 schematisch und in Fig. 2 in einer konkreten Ausgestaltung dargestellt sind. Vorzugsweise werden die Leiterbahnen bzw. elektrischen Verbindungen zur Bildung der Meßbrücke und der
Kompensationsbrucke durch Bedampfung der Oberseite des Rahmens 2 und der Membran 3 mit einem Metall, wie z. B. mit Aluminium, Kupfer, Gold oder Platin, erreicht.
Es versteht sich, daß der erfindungsgemaße Drucksensor weitere Schichten aufweisen kann. In Fig. 2 ist das Layout einer bevorzugten Ausfuhrungsform des in Fig. 1 schematisch dargestellten, erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensors - in Draufsicht - dargestellt. Das in Fig. 2 dargestellte Layout des Halbleiter-Drucksensors 200 ist, soweit nachfolgend nicht anders angegeben, identisch mit dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Sensor 1, wenn man davon absieht, daß Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemaßen Halbleiter-Drucksensors zeigt.
Insbesondere weicht der in Fig. 2 dargestellte Halbleiter- Drucksensor 200 von dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter- Drucksensor 1 darin ab, daß der Meßwiderstand 5 der Fig. 1 in Fig. 2 durch zwei Meßwiderstande 5 und 6, der Meßwiderstand 14 durch zwei Meßwiderstande 14 und 15, der Meßwiderstand 8 durch zwei Meßwiderstande 8 und 9 und der Meßwiderstand 11 durch zwei Meßwiderstande 11 und 12 gebildet ist. Indem an den sogenannten ersten Orten der Membran, an denen die longitudinale und auch transversale Biegespannung der Membran maximal ist, anstelle eines Meßwiderstands eine Reihenschaltung aus jeweils zwei Meßwiderstanden 5, 6; 14, 15; 8, 9; und 11, 12 vorgesehen ist, ist es in technisch einfacher Weise möglich, einen aus zwei in Reihe geschalteten Meßwiderstanden gebildeten Widerstand der Meßbrücke 50 zu bilden, der einen hohen Widerstandswert, vorzugsweise von mindestens ein 1 kΩ, aufweist. Hierdurch laßt sich die Stromaufnahme eines erfindungsgemaßen Halbleiter- Drucksensors deutlich reduzieren. Ferner ist es durch die Reihenschaltung von zwei Meßwiderstanden möglich, "einen" hochohmigen Meßwiderstand durch geeignete Dotierung der Membran 3 des Halbleiter-Drucksensors 200 herzustellen.
Ferner laßt sich durch die erfindungsgemaße Verwendung von zwei Meßwiderstanden der "Offset" minimieren und das Verhältnis des Piezowiderstands zum Widerstand der Zuleitungen maximieren, wodurch sich eine maximale Empfindlichkeit der Meßanordnung ergibt. Dementsprechend sind die in Fig. 4 als einzelne Widerstände der Wheatstoneschen Meßbrücke 50 dargestellten Widerstände, entsprechend der bevorzugten Ausfuhrungsform des in Fig. 2 dargestellten Drucksensors 200, tatsachlich jeweils zwei in Reihe geschaltete Meßwiderstande.
Ein weiterer Unterschied des in Fig. 2 dargestellten Halbleiter- Drucksensors 200 gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Drucksensor 1 besteht darin, daß die auf dem Rahmen 2 des Drucksensors 200 angeordneten Rahmenwiderstande 13 und 16 jeweils nicht parallel zu den Meßwiderstanden 11 und 14 verlaufen. Diese sind zwar auch etwa auf gleicher Hohe wie die benachbarten, auf der Membran 3 befindlichen Meßwiderstande 11,
12 bzw. 14, 15 angeordnet, jedoch ist die Langsachse der Rahmenwiderstande jeweils um 45° im Uhrzeigersinn gegenüber der Langsachse des jeweils benachbarten Meßwiderstands verdreht.
Es versteht sich, daß sich die Ausrichtung der Rahmenwiderstande
13 und 16 auf dem Rahmen 2 an der konkreten Kristallorientierung des Rahmens bzw. des Halbleitersubstrats, aus dem der Drucksensor hergestellt wird, orientiert. Entscheidend ist, daß die Ausrichtung derart erfolgt, daß die Rahmenwiderstande piezounempfindlich gegen eventuell auftretende geringe Verformungen des Rahmens sind, wodurch sich eine höhere Meßgenauigkeit erreichen laßt.
Die auf dem Rahmen 2 angeordneten Kompensationswiderstande 13 und 16 liegen etwa je zur Hälfte auf dem Teil des Rahmens, der durch das nicht geatzte Silizium-Substrat gebildet ist und zur anderen Hälfte auf dem Ubergangsbereich 4 zwischen dem Silizium- Substrat und der Membran 3. Hierdurch laßt sich zudem eine platzsparende Anordnung erreichen, so daß die Flache des insgesamt benotigten Silizium-Substrats minimiert bzw. der eingesparte Platz zur vollständigen oder teilweisen Realisierung der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung auf dem Rahmen 2 verwendet werden kann. Bei Betrachtung der Fig. 2 fallt auf, daß die Kontaktfelder 17, 69, 28 und 70 etwa an den Ecken der Membran auf der Oberseite des Halbleiter-Drucksensors 200 im Ubergangsbereich 4 angeordnet sind. Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine übersichtliche Möglichkeit zum externen Anschluß des Halbleiter- Drucksensors 200 an eine Spannungsversorgung sowie die Möglichkeit des Abgriffs der Spannung an den Meßausgangen der Kompensationsbrucke. An dieser Anordnung der Kontaktfelder ist ferner von Vorteil, daß der Anschluß des Halbleiter-Drucksensors 200 ohne negative Auswirkungen auf das Deformationsverhalten der Membran 3 möglich ist. Ebenso sind auf der Oberseite des Halbleiter-Drucksensors 200 im Ubergangsbereich 4 Kontaktzungen 67 und 68 vorgesehen, über die sich die Spannung an den Meßausgangen der aus den Meßwiderstanden gebildeten Wheatstoneschen Meßbrücke abgreifen und ebenfalls, wie die Signale bzw. wie die Spannung an den Meßausgangen der Kompensationsbrucke 51 über die Kontaktflachen 69 und 70, der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung 300 zufuhren lassen.
Ferner sind die die Meßwiderstande verbindenden Leiterbahnen überwiegend, soweit möglich, parallel zur jeweiligen Membrankante in deren unmittelbarer Nahe auf dem Ubergangsbereich 4 angeordnet. Dadurch können die Leiterbahnen, die die Meßwiderstande verbinden, möglichst kurz und damit niederohmig gehalten werden.
Soweit notig, verlaufen die Leiterbahnen, die die auf dem Rahmen 2 angeordneten Kompensationswiderstande 13 und 16 mit der Kompensationsbrucke verbinden, auf der linken bzw. rechten Seite des Rahmens und weisen im Unterschied zu den Leiterbahnen, die die Meßwiderstande verbinden, einen größeren Abstand zu den jeweils benachbarten Membrankanten auf.
Nachfolgend wird das Layout der Verschaltung der Leiterbahnen des Drucksensors 200 detaillierter beschrieben. Das Kontaktfeld 17 steht über eine Zuleitung 20 mit dem einen Anschluß des Kompensationswiderstands 7 in Verbindung. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 7 ist mit dem Kontaktfeld 69 über eine Zuleitung 21 verbunden. Das Kontaktfeld 69 ist über eine Leiterbahn 19 mit einer Verbindungsstelle 23 elektrisch verbunden, die ihrerseits mit dem einen Anschluß des Kompensationswiderstands 16 über eine Leiterbahn 24 verbunden ist. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 16 ist über eine Zuleitung 25 mit einer Kontaktstelle 26 verbunden. Die Kontaktstelle 26 steht über eine Leiterbahn 27 mit einem Kreuzungspunkt in Verbindung, der seinerseits durch eine Leiterbahn gebildet ist, die mit einer Leiterbahn 37 in Verbindung steht, die einen Anschluß des Meßwiderstands 14 kontaktiert. Ferner steht der Kreuzungspunkt mit einer Leiterbahn 40 in Verbindung, die einen Anschluß des Meßwiderstands 9 elektrisch kontaktiert. Schließlich steht der Kreuzungspunkt noch mit dem Kontaktfeld 28 in einer elektrischen Verbindung, das seinerseits mit einem Anschluß des Kompensationswiderstands 10 über eine Leiterbahn 35 verbunden ist. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 10 ist über eine Leiterbahn 34 mit dem Kontaktfeld 70 verbunden, daß seinerseits wiederum über eine Leiterbahn 32 mit einer Kontaktstelle 31 in einer elektrischen Verbindung steht. Eine Leiterbahn 30 verbindet die Kontaktstelle 31 mit einem Anschluß des Kompensationswiderstands 13. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 13 steht über eine Leiterbahn 29, Kontaktstelle 22 und nachfolgend über eine Leiterbahn 18 mit dem Kontaktfeld 17 in einer elektrischen Verbindung, wodurch schließlich die Kompensationsbrücke 51 gebildet ist.
Das Kontaktfeld 17 steht zudem über die Leiterbahn 18 mit einem Anschluß des Meßwiderstands 5 in Verbindung, dessen anderer Anschluß über eine Kontaktbrucke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 6 verbunden ist. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 6 ist über eine Leiterbahn 36 mit einem Anschluß des Meßwiderstands 15 verbunden. Die Leiterbahn 36 ist mit der Kontaktzunge 68 versehen, die von der Membran 3 weg nach oben in den Ubergangsbereich 4 zeigt. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 15 ist über eine Kontaktbrucke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 14 verbunden. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 14 wird von der Leiterbahn 37 kontaktiert. Die mit der Leiterbahn 37 verbundene Leiterbahn 40 kontaktiert einen Anschluß des Meßwiderstands 9, der über eine Kontaktbrucke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 8 verbunden ist. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 8 steht mit einem Anschluß des Meßwiderstands 11 über eine Leiterbahn 39 in einer elektrischen Verbindung. Die Leiterbahn 39 besteht zum Teil aus der Kontaktzunge 67, die von der Membran 3 weg nach unten in den Ubergangsbereich 4 zeigt. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 11 ist über eine Kontaktbrucke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 12 verbunden, dessen anderer Anschluß über eine Leiterbahn 38 mit der Leiterbahn 18 und dem Kontaktfeld 17 elektrisch verbunden ist, wodurch schließlich die Meßbrücke 50 gebildet ist.
Die Zuleitungen 20, 21, 35 und 34, die die auf der Membran 3 vorgesehenen Kompensationswiderstande 7 und 10 kontaktieren, verlaufen jeweils etwa diagonal über einen Teil der Membran 3, bevor sie die Kompensationswiderstande 7 und 10 kontaktieren.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weisen die durch geeignete Dotierung der Membran 3 gebildeten Widerstände einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt auf.
Nachfolgend wird die Funktion des erfindungsgemaßen Halbleiter- Sensors 1 und 200, wie er beispielhaft in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellt ist, naher erläutert.
Die relative Widerstandsanderung eines in der Membran des erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensors angeordneten piezoresistiven Widerstands als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran kann naherungsweise wie folgt beschrieben werden:
ΔR/RQ δ a(x,y,z) Δp + b (Δp)2 (1) mit :
ΔR/Ro = relative Widerstandsanderung eines piezoresistiven Widerstands als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran;
Δp = der Differenzdruck zwischen den beiden Seiten der Membran;
x,y,z = die raumlichen Koordinaten des (der Einfachheit halber auf einen einzigen Punkt reduzierten) konkreten Orts des piezoresistiven Widerstands in bezug auf die Membran;
a = ein Faktor, der vom betreffenden piezoresistiven Widerstand, seinem Ort in bezug auf die konkrete Membran, der konkreten Membran und dem konkreten Sensor abhangt;
b = ein Faktor, der vom betreffenden piezoresistiven Widerstand, seinem Ort in bezug auf die konkrete Membran, der konkreten Membran und dem konkreten Sensor abhangt;
a(x,y,z) Δp = linearer Anteil an der relativen Widerstandsanderung infolge einer Änderung der Biegespannung;
b (Δp)2 = ortsunabhangiger quadratischer Anteil an der relativen Widerstandsanderung infolge der Änderung der ortsunabhangigen Membranspannung .
Typischerweise ist der Faktor b des quadratischen Terms der vorstehenden Gleichung (1) deutlich kleiner als der Faktor a des linearen Terms der relativen Widerstandsanderung eines in einer Membran angeordneten piezoresistiven Widerstands als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran. Ist der Differenzdruck zwischen den beiden Seiten der Membran relativ gering, ist die relative Widerstandsanderung weitgehend durch den linearen Term der Gleichung (1) bestimmt. Wird nun jedoch ein piezoresistiver Widerstand in einem mikromechanisehen Halbleiter-Sensor zur Messung eines Drucks im Niederdruckbereich verwendet, bei dem erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensor typischerweise ein Bereich von etwa 0 bis 50 mbar, und trennt die Membran den Niederdruckbereich beispielsweise vom Vakuum, so wird der quadratische Term der Gleichung mit zunehmendem Differenzdruck, d.h. in diesem Beispiel dem Anstieg der Druckdifferenz von etwa 0 auf etwa 50 mbar, dominant gegenüber dem linearen Term der Gleichung. Dasselbe gilt beispielsweise entsprechend auch für eine Situation, bei der auf der einen Seite der Membran Normaldruck bzw. Atmospharendruck herrscht und auf der anderen Seite der Membran ein Druck, der im Bereich von etwa 0 bis 50 mbar hoher oder niedriger ist.
Hieraus ergibt sich, daß die Widerstandskennlinie des piezoresistiven Widerstands mit zunehmendem Differenzdruck ein (in der Regel unerwünschtes) nichtlineares Verhalten zeigt.
Ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung zur Losung dieses Problems besteht darin, den bzw. die in die Membran eines erfindungsgemaßen mikromechanischen Halbleiter-Drucksensors eingebrachten Meßwiderstande (siehe die Figuren 1, 2 und 3) in ihrer Form und in ihren Abmessungen derart zu bemessen, daß sie jeweils an solchen Stellen bzw. Orten der Membran in diese eingebracht werden können, an denen die Gesamtspannung, die sich im wesentlichen aus der linearen Biegespannung und der quadratischen Membranspannung zusammensetzt, groß, vorzugsweise weitgehend maximal, ist.
Indem der bzw. die Meßwiderstande an dieser Stelle bzw. an diesen Stellen der Membran angeordnet sind, ergibt sich im Unterschied zu anderen Stellen der Membran, die diese Eigenschaften nicht aufweisen, eine hohe, bevorzugt eine weitgehend maximale relative Widerstandsanderung als Funktion des Differenzdrucks zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran und damit eine verbesserte Möglichkeit zur Messung des Differenzdrucks über die Auswertung der relativen Widerstandsanderung . Ein zweiter wesentlicher Aspekt der Erfindung zur Losung des genannten Problems der Nichtlinearitat besteht darin, einen oder mehrere Membran-Kompensationswiderstande (siehe die Figuren 1, 2 und 3) , in ihrer Form und in ihren Abmessungen so zu gestalten, daß diese jeweils an einer Stelle bzw. einem Ort der Membran angeordnet werden können, an dem jeweils weitgehend lediglich die quadratisch mit dem Differenzdruck verlaufende Membranspannung auf den betreffenden Membran- Kompensationswiderstand wirkt.
Bevorzugt wird also jeweils eine Stelle bzw. ein Ort für den oder die Membran-Kompensationswiderstande in der Membran gewählt, an dem eine minimale Biegespannung der Membran gegeben ist.
Die Bestimmung der Orte, an denen minimale Biegespannungen in der Membran gegeben sind, wird nun anhand der Figur 3 erläutert. In der Figur 3 wird ein Querschnitt durch ein Sensorelement gezeigt. Wenn es zu einer Verformung der Membran 3 nach oben in der Figur 3 kommt, so werden die Meßwiderstande 8 und 5, die auf der Oberseite der Membran 3 liegen, mit Druckspannungen beaufschlagt. Zwischen diesen beiden Widerstanden in etwa in der Mitte der Membran wird die Oberseite der Membran mit Zugspannungen beaufschlagt, d.h. bei einer Verformung nach oben hin weist die Membran auf ihrer Oberseite im Randbereich Druckspannungen und in der Mitte Zugspannungen auf. Zwischen diesen Bereichen mit Druckspannungen und Zugspannungen ist eine neutrale Zone gegeben, in der keine Biegespannungen auftreten. An diesen Orten werden die Kompensationswiderstande angeordnet, die dann nicht mit Biegespannungen beaufschlagt werden. Die Kompensationswiderstande werden somit nicht mit den linearen Biegespannungen beaufschlagt, sondern nur mit den Membranspannungen, die eine quadratische Abhängigkeit vom Druck zeigen und überall auf der Membran gleich sind. Wenn die Membran, wie sie in der Figur 3 gezeigt wird, nach unten verformt wird, so werden die Randbereiche der Membran, in der die Meßwiderstande 5 und 8 angeordnet sind, mit Zugspannungen beaufschlagt und ein mittlerer Bereich der Membran wird mit Druckspannungen beaufschlagt. Zwischen diesen Zug- und Druckspannungen gibt es wiederum einen Bereich, in dem auf der Oberseite der Membran keine Biegespannungen auftreten und in der dann entsprechend die Kompensationswiderstande 7 und 10 angeordnet werden. Für das konkrete Layout eines Sensors muß naturlich der Ort bestimmt werden, an dem auf der Oberseite der Membran gerade keine Biegespannungen auftreten. Diese Bestimmung kann mit Hilfe von Berechnungen, insbesondere finite Elementberechnungen, aufgefunden werden oder aber durch Messung bestimmt werden.
Vorzugsweise werden die Meß- und/oder Kompensationswiderstande der Membran durch Maskierung und nachfolgende geeignete lokale Dotierung der nicht maskierten Stellen der Membran in diese eingebracht. Dasselbe gilt für die auf dem Rahmen des erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensors vorgesehenen Rahmenwiderstande (siehe die Figuren 1,2 und 3).
Indem der bzw. die Kompensationswiderstande an dieser Stelle bzw. an diesen Stellen der Membran angeordnet sind, ergibt sich im Unterschied zu anderen Stellen bzw. Orten der Membran, die diese Eigenschaften nicht aufweisen, eine relative Widerstandsanderung des Kompensationswiderstands bzw. der Kompensationswiderstande als Funktion des Differenzdrucks zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran, die einen weitgehend quadratischen Verlauf zeigt. An dieser Stelle bzw. an diesen Stellen ist der lineare Term der obengenannten Gleichung (1) für die relative Widerstandsanderung weitgehend minimal bzw. Null und die relative Widerstandsanderung wird wesentlich durch die Membranspannung bestimmt. Die Membranspannung ist in bezug auf die Membran ortsunabhangig und zeigt eine quadratische Druckabhangigkeit . Ein Widerstand, der an einem Ort der Membran liegt, an dem sowohl die longitudinale als auch die transversale Biegespannung weitgehend Null ist, erfahrt daher annähernd nur die Membranspannung. Die nicht in der Membran vorgesehenen, auf bzw. im Rahmen des erfindungsgemaßen Drucksensors angeordneten Rahmenwiderstande sind weitgehend druckunabhangig, weil ein auf die Oberseite oder Unterseite der Membran wirkender Druck allenfalls zu einer sehr geringen Verformung des Rahmens fuhrt, wobei die Verformung des Rahmens gegenüber der Verformung der Membran sehr gering ist.
Um jedoch auch die Möglichkeit einer Widerstandsanderung eines piezoresistiven Rahmenwiderstands infolge einer Verformung des Rahmens des Drucksensors weitgehend auszuschließen, ist bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung vorgesehen, den Rahmenwiderstand derart in bezug auf die Kristallorientierung des Rahmens anzuordnen, daß der Widerstand durch die Verformung des Rahmens nicht beeinflußt wird, d.h. daß dieser eine piezounempfindliche Ausrichtung ggu. der Kristallorientierung des Rahmens aufweist.
Es versteht sich, daß von dem erfindungsgemaßen Prinzip auch dann Gebrauch gemacht wird, wenn die Meß- und/oder Kompensationswiderstande lediglich in der Nahe der vorstehend beschriebenen (idealen) Stellen bzw. Orte der Membran bzw. des Rahmens des Drucksensors angeordnet werden.
Bevorzugt wird von piezoresistiven Widerstanden Gebrauch gemacht; es versteht sich jedoch, daß auch ein oder mehrere andere Widerstände anstelle von piezoresistiven Widerstanden verwendet werden können, die die genannten Eigenschaften ganz oder teilweise aufweisen.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Verschaltung der an den erfindungsgemaßen Stellen der Membran vorgesehenen Meßwiderstande zu einer Meßbrücke ergibt sich an den Kontaktfeldern 67 und 68, den Ausgangen der Meßbrücke, folgende Bruckenspannung:
-Ηeßbrucke (Δp ) = ( ( Rt - R / ( R. + Rx ) [ 2 ) mit :
UMeßbruce = elektrische Spannung infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran zwischen den zwei Zweigen der Meßbrücke, die an den Kontaktfeldern 67 und 68 des erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensors abgegriffen wird;
Rt = elektrischer Widerstand der piezoresistiven Widerstände der Meßbrücke, der von der transversalen Biegespannung an den piezoresistiven Meßwiderstanden infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran abhangt;
Ri = elektricher Widerstand der piezoresistiven Widerstände der Meßbrücke, der von der longitudinalen Biegespannung an den piezoresistiven Meßwiderstanden infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran abhangt;
Uv = elektrische Spannung der Versorgungsspannung, die an den Kontaktfeldern 17 und 28 des erfindungsgemaßen Halbleiter- Sensors angelegt ist.
Aus dieser Gleichung (2) für die Ausgangsspannung der Meßbrücke wird deutlich, daß die Nichtlinearitat der einzelnen Widerstände zu einer Nichtlinearitat der Bruckenspannung der Meßbrücke fuhrt.
Die aus zwei druckunabhangigen piezoresistiven Widerstanden auf dem Rahmen der Membran und zwei druckabhangigen Kompensationswiderstanden an den erfindungsgemaßen Stellen auf der Membran des erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensors gebildete Kompensationsbrucke weist an den Kontaktfeldern 69 und 70, den Meßausgangen der Kompensationsbrucke, eine elektrische Spannung auf, die durch die nachfolgende Gleichung naherungsweise beschrieben werden kann:
Uκompensatιonsbrucke = ( (R-komp - Rθ ) / ( Rkomp + Rθ ) ) Uv (3) UκomPensatonsbruce = die elektrische Spannung der
Kompensationsbrucke infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran, die an den Kontaktfeldern 69 und 70 des erfindungsgemaßen Halbleiter-Sensors abgegriffen wird;
Romp = der elektrische Widerstand der der Kompensationsbrucke;
Ro = komp (f r Δp = 0) : der elektrische Widerstand der Kompensationsbrucke für einen Differenzdruck Δp = 0;
Uv = die Versorgungsspannung der Kompensationsbrucke. Bei entsprechendem elektrischen Anschluß der durch die Kontaktfelder 69 und 70 gebildeten Ausgange der
Kompensationsbrucke sowie der durch die Kontaktfelder 67 und 68 gebildeten Ausgange der Meßbrücke erhalt man eine Ausgangsspannung der Kompensationsbrucke (UKθmpensatιonsDrucke) als Funktion des Differenzdrucks (Δp) , welche ein umgekehrtes Vorzeichen im Vergleich zur Ausgangspannung der Meßbrücke
( UMeßbrucke ) aufweist .
Die Kompensationsbrucke hat ferner eine geringere Empfindlichkeit als die Meßbrücke und die Nichtlinearitat der Kompensationsbrucke ist deutlich hoher als die Nichtlinearitat der in der Membran vorgesehenen Meßwiderstande bzw. des Ausgangssignals der Meßbrücke. Dies ist durch die vorstehend erläuterte Anordnung der Membran-Kompensationswiderstande an jeweils einem Ort der Membran mit minimaler Biegespannung, an dem überwiegend lediglich die Membranspannung (ortsunabhangig und proportional zu (Δp)2) auf die Membran- Kompensationswiderstande wirkt, begründet.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung zur Verminderung der Nichtlinearitat der Ausgangsspannung (siehe Fig. 4) der zu einer Meßbrücke 50 verschalteten Meßwiderstande in der Membran besteht nun darin, den durch einen ersten Spannungs-/Stromwandler 54 aus der nichtlinearen Ausgangsspannung der Kompensationsbrucke 51 erzeugten ersten elektrischen Strom an dessen Ausgang 60 von dem durch einen zweiten Spannungs-/Stromwandler 53 aus der nichtlinearen Ausgangsspannung der Meßbrücke 50 erzeugten zweiten elektrischen Strom an dessen Ausgang 59 zu subtrahieren. Erfindungsgemaß erfolgt die Verschaltung derart, daß der erste elektrische Strom ein umgekehrtes Vorzeichen ggu. dem zweiten elektrischen Strom aufweist und sich die quadratischen Anteile beider Strome ganz oder teilweise aufheben bzw. kompensieren. Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der zu subtrahierende erste elektrische Strom des Spannungs-/Stromwandlers 54 der Kompensationsbrucke 51 vor der Subtraktion derart verstärkt, daß der Absolutwert des quadratisch mit dem Differenzdruck verlaufenden Anteils des ersten elektrischen Stroms am Ausgang 60 weitgehend dem Absolutwert des quadratisch mit dem Differenzdruck verlaufenden Anteils des zweiten elektrischen Stroms am Ausgang 59 entspricht. Dann ergibt sich ein resultierender elektrischer Strom (siehe die Leitung 61 in Fig. 4), der einen weitgehend linearen Verlauf als Funktion des Differenzdrucks zeigt und zur Bestimmung des Differenzdrucks verwendet wird. Zum Abgleich des Spannungs-/Stromwandlers 54 bzw. zur Verstärkung des ersten elektrischen Stroms vor der Subtraktion der elektrischen Strome, ist der Spannungs- /Stromwandler 54 mit einem Anschluß 52 zur Zufuhrung einer einstellbaren Abgleich-Spannung versehen.
Um die Stromaufnahme durch den erfindungsgemaßen Halbleiter- Sensor so gering wie möglich zu halten, weisen die Widerstände bevorzugt einen elektrischen Widerstand auf, der großer als 1 kΩ ist.
In der Figur 5 wird eine Aufsicht auf ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Drucksensors gezeigt. Mit den Bezugszeichen 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, werden wieder Meßwiderstande bezeichnet, die den Meßwiderstanden wie sie zur Figur 2 bereits beschrieben wurden entsprechen. Diese Meßwiderstande sind wieder in einem Randbereich der Membran angeordnet, in dem die durch Biegespannungen auftretenden Widerstandsanderungen maximal sind. Weiterhin werden noch Kompensationswiderstande 7, 10, 13, 16 gezeigt, wobei die Kompensationswiderstande 7 und 10 den Kompensationswiderstanden 7 und 10 entsprechen, die in der Figur 2 bereits beschrieben wurden. Weiterhin sind auf der Membran nach der Figur 5 noch Kompensationswiderstande 13 und 16 vorgesehen, die den Kompensationswiderstanden 13 und 16 der Figur 2 entsprechen, aber im Unterschied zur Figur 2 in der Figur 5 auf der Membran 3 angeordnet sind. Die Membran besteht aus einkristallmem Silizium und alle Widerstände sind durch eine entsprechende Dotierung in dem Silizium gebildet. Wie bereits zur Figur 2 beschrieben wurde, sind die Meßwiderstande 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15 und die Kompensationswiderstande 7 und 10 parallel zu Seiten der rechteckigen Membran 3 angeordnet. Diese Widerstände sind somit in einer Kristallrichtung des Siliziums gelegen, in der der elektrische Widerstand von inneren mechanischen Spannungen abhangt (piezoresistiver Effekt) . Die Kompensationswiderstande 13 und 16 sind jedoch mit einem Winkel von 45° zu den rechteckigen Seitenwanden der Membran 3 orientiert. Aufgrund dieser Ausrichtung sind die
Kompensationswiderstande 13 und 16 in einer Kristallrichtung der einkristallinen Siliziummembran 3 gelegen, in der die Abhängigkeit des Widerstands von mechanischen Spannungen in der einkristallinen Siliziummembran 3 minimal ist. Die Meßwiderstande 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15 und die Kompensationswiderstande 7, 10 sind jedoch in Kristallrichtungen gelegen, in denen ein deutlicher piezoresistiver Effekt auftritt, d.h. der Widerstand dieser Elemente hangt stark von internen mechanischen Spannungen in der einkristallinen Siliziummembran 3 ab. Die Meßwiderstande und
Kompensationswiderstande werden wieder zu Brücken verschaltet, wie dies in der Figur 4 gezeigt und in der dazugehörigen Beschreibung beschrieben wird. Die Verbindung zwischen den einzelnen Elementen wird jedoch in der Figur 5 im Unterschied zur Figur 2 aus Vereinfachungsgrunden nicht dargestellt. Es werden nur schematisch Anschlußbereiche 100 für die Meßwiderstande gezeigt, die eine Kontaktierung der Meßwiderstandselemente erlauben. Für die
Kompensationswiderstande 7, 10, 13, 16 werden schematisch Verbindungsbereiche 101 gezeigt, durch die die Widerstände auf der Membran 3 miteinander verbunden werden. Es wird jedoch nicht dargestellt, wie die Kontaktierung nach außen hin erfolgt. Aufgrund der Ausrichtung der Kompensationswiderstande 13 und 16 in einer Richtung in der kein piezoresistiver Effekt auftritt verhalten sich diese Widerstände so als wenn sie auf dem Rahmen angeordnet waren, d.h. sie zeigen keine oder nur eine vernachlassigbar geringe Widerstandsanderung infolge einer Verformung der Membran.
Bezugszeichenliste :
1 Halbleiter-Drucksensor
2 Rahmen
3 Membran
4 Übergangsbereich
5 Meßwiderstand
6 Meßwiderstand
7 Membran-Kompensationswiderstand
8 Meßwiderstand
9 Meßwiderstand
10 Membran-Kompensationswiderstand
11 Meßwiderstand
12 Meßwiderstand
13 Rahmenwiderstand
14 Meßwiderstand
15 Meßwiderstand
16 Rahmenwiderstand
17 Kontaktfeld
18 Leiterbahn
19 Leiterbahn
20 Zuleitung
21 Zuleitung
22 Kontaktstelle
23 Verbindungsstelle
24 Leiterbahn
25 Leiterbahn
26 Kontaktstelle
27 Leiterbahn
28 Kontaktfeld
30 Leiterbahn
31 Kontaktstelle
32 Leiterbahn
34 Zuleitung
35 Zuleitung
36 Leiterbahn
37 Leiterbahn 38 Leiterbahn
39 Leiterbahn
40 Leiterbahn
41 Aussparung
50 Meßbrücke
51 Kompensationsbrücke
52 Anschluß zum Abgleich des Spannungs-/Stromwandlers der Kompensationsbrücke
53 Spannungs-/Stromwandler
54 Spannungs-/Stromwandler
59 Ausgang eines Spannungs-/Stromwandlers
60 Ausgang eines Spannungs-/Stromwandlers
61 Leitung
67 Kontaktzunge
68 Kontaktzunge
69 Kontaktfeld
70 Kontaktfeld
200 Halbleiter-Drucksensor 300 Kompensationsschaltung

Claims

Patentanspruche
1. Drucksensor (1; 200), insbesondere für Messungen von niedrigen Absolutdrucken und/oder geringen Differenzdrucken, umfassend:
- einen Rahmen (2) , der zumindest teilweise durch ein Halbleitermaterial gebildet ist,
- eine von dem Rahmen (2) gehaltene Membran (3),
- mindestens einen Meßwiderstand (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15), der an einem ersten Ort in oder auf der Membran (3) angeordnet ist und dessen Widerstandswert von der Verformung der Membran (3) abhangt, gekennzeichnet durch, mindestens einen Kompensationswiderstand (7, 10) , der an einem zweiten Ort in oder auf der Membran (2) angeordnet ist und dessen Widerstandswert von der Verformung der Membran (3) abhangt, wobei bei einer Verformung der Membran Biegespannungen und
Membranspannungen auftreten, wobei die Biegespannungen eine raumliche Verteilung auf der
Membran aufweisen, wobei am ersten Ort naherungsweise maximale Biegespannungen auftreten und an dem zweiten Ort naherungsweise minimale
Biegespannungen auftreten.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Membran (3) mindestens vier Meßwiderstande (5, 6, 8,
9, 11, 12, 14, 15) aufweist, die jeweils an einem ersten Ort der Membran angeordnet sind, und
- daß die an den vier ersten Orten der Membran befindlichen Meßwiderstande (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15) zu einer ersten Ringschaltung bzw. Wheatstoneschen Meßbrücke (50) oder zu einem Meßwandler verschaltet sind.
3. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) mindestens zwei Kompensationswiderstande (7, 10) aufweist, die jeweils an einem zweiten Ort der Membran angeordnet sind, daß mindestens zwei weitere Kompensationswiderstande vorgesehen sind, und daß die Kompensationswiderstande der Membran und die Rahmenwiderstande zu einer zweiten Ringschaltung bzw. Wheatstoneschen Meßbrücke bzw. Kompensationsbrucke (51) verschaltet sind.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei weitere Kompensationswiderstande (13, 16) auf dem Rahmen (2) angeordnet sind.
5. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei weiteren Kompensationswiderstande (13, 16) auf der Membran (3) angeordnet sind.
6. Drucksensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei weiteren Kompensationswiderstande (13, 16) derart im oder auf dem Rahmen (2) oder der Membran (3) angeordnet sind, daß der elektrische Widerstand der zwei weiteren Kompensationswiderstande (13,16) auch bei einer Verformung weitgehend konstant bleibt.
7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwiderstande (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14) und/oder die Kompensationswiderstande (7, 10) und/oder die Rahmenwiderstande (13, 16) piezoresistive Widerstände sind.
8. Drucksensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoresistiver Rahmenwiderstand (13, 16) derart im oder auf dem Rahmen (2) angeordnet ist, daß dieser weitgehend piezounempfindlich gegenüber einer (typischerweise geringen) Verformung des Rahmens ist.
9. Meßanordnung (300) zur Messung des Absolutdrucks und/oder des Differenzdrucks, dem ein Drucksensor (1; 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch
- erste Mittel (53) zur Erfassung der durch die Druckdifferenz an mindestens einem Meßwiderstand (5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15) hervorgerufenen Änderung des elektrischen Widerstands,
- zweite Mittel (54) zur Erfassung der durch die Druckdifferenz an mindestens einem Kompensationswiderstand (7, 10) der Membran hervorgerufenen Änderung des elektrischen Widerstands.
10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
- daß die ersten Mittel (53) die durch die Druckdifferenz zwischen den Zweigen einer aus vier Meßwiderstanden (5, 6, 8, 9,
11. 12, 14, 15) der Membran (3) gebildeten Wheatstoneschen Meßbrücke (50) hervorgerufene Spannungsanderung erfassen, und
- daß die zweiten Mittel (54) , die durch die Druckdifferenz zwischen den Zweigen einer aus zwei Kompensationswiderstanden (7, 10) und zwei Rahmenwiderstanden (13, 16) gebildeten
Wheatstoneschen Kompensationsbrucke (51) hervorgerufene Spannungsanderung erfassen.
11. Meßanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
- daß die ersten Mittel einen ersten Spannungs-/ Stromwandler (53) aufweisen, über dessen Eingang die durch die Druckdifferenz hervorgerufene Spannungsanderung erfaßt ist, wobei über einen Ausgang (59) des ersten Spannungs-/Stromwandlers (53) ein erster elektrischer Strom abgegeben ist, der proportional zur Eingangsspannung am ersten Spannungs-/Stromwandler (53) ist,
- daß die zweiten Mittel (54) einen zweiten Spannungs- /Stromwandler (54) aufweisen, über dessen Eingang die durch die Druckdifferenz hervorgerufene Spannungsanderung erfaßt ist, wobei über einen Ausgang (60) des zweiten Spannungs- /Stromwandlers (54) ein zweiter elektrischer Strom abgegeben ist, der proportional zur Eingangsspannung am zweiten Spannungs- /Stromwandler (54) ist, wobei der zweite elektrische Strom ein gegenüber dem ersten elektrischen Strom umgekehrtes Vorzeichen aufweist, und
- daß eine Kompensationsschaltung den zweiten elektrischen Strom oder einen verstärkten zweiten elektrischen Strom von dem ersten elektrischen Strom subtrahiert.
12. Meßanordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Verstarker zur Verstärkung des von dem zweiten Spannungs-
/Stromwandler (54) abgegebenen zweiten elektrischen Stroms.
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