WO2016071060A1 - Sensoreinrichtung und entsprechendes herstellungsverfahren - Google Patents

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WO2016071060A1
WO2016071060A1 PCT/EP2015/072986 EP2015072986W WO2016071060A1 WO 2016071060 A1 WO2016071060 A1 WO 2016071060A1 EP 2015072986 W EP2015072986 W EP 2015072986W WO 2016071060 A1 WO2016071060 A1 WO 2016071060A1
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WO
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measuring
membrane
resistors
resistor
resistance
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Application number
PCT/EP2015/072986
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Inventor
Christoph VON JUTRZENKA TRZEBIATOWSKI
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—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
    • G01L9/065—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 with temperature compensating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—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

Definitions

  • the present invention relates to a sensor device for detecting pressure and a manufacturing method for a sensor device.
  • Pressure sensors are used today in a variety of applications. For example, pressure sensors in consumer devices, such as Cell phones, household appliances, gas monitors or the like can be used.
  • MEMS-based sensors are frequently used.
  • a measuring bridge is applied to a pressure-elastically deformable membrane.
  • DE 102 31 727 AI shows an example of such a pressure sensor.
  • the resistance measuring bridge usually consists of four alternately arranged in succession laterally and longitudinally pressure-sensitive piezoresistive elements. A bending of the membrane leads to an opposite
  • the present invention discloses a sensor device having the features of patent claim 1 and a manufacturing method having the features of patent claim 9.
  • a sensor device for detecting pressure comprising a pressure-deformable membrane and having at least four measuring resistors, each having two resistance elements, wherein the two
  • Resistance elements are each arranged electrically in series at different locations on and / or on the membrane.
  • a manufacturing method for a sensor device comprising providing a pressure-deformable membrane, and
  • piezoresistive resistors are very temperature sensitive. Particularly critical is a temperature gradient on the membrane, since no distinction can be made here between temperature-induced and pressure-induced change in resistance.
  • a gradient is e.g. caused by the operation of adjacent power-intensive components.
  • R. Diodes or resistors necessary.
  • the idea underlying the present invention is now to take this knowledge into account and to provide a possibility that Temperature dependence of the measuring resistors of the sensor device to reduce.
  • each of the four measuring resistors is constructed from two resistance elements which are arranged electrically in series but at different locations on or on the membrane of the sensor device.
  • the two resistance elements of each of the at least four measuring resistors are arranged and / or formed such that their resistance changes have the same sign when the membrane is deformed in a common predetermined direction. This allows the arrangement of each two resistive elements
  • the four measuring resistors are in the form of a
  • the measuring bridge arranged. Furthermore, the measuring bridge has a positive
  • the first of the sensing resistors is coupled to the positive supply terminal and the positive sensing terminal.
  • the second of the sensing resistors is coupled to the positive supply terminal and the negative sensing terminal.
  • the third of the sense resistors is coupled to the negative supply terminal and the positive sense terminal.
  • the fourth of the sensing resistors is negative
  • the first resistance element of the first resistance element of the first resistance element of the first resistance element
  • the second resistance element of the first resistor is arranged together with the second resistance element of the second resistance at a location of the membrane.
  • the first resistance element of the third resistor is arranged together with the first resistance element of the third resistor.
  • Resistor disposed together with the first resistor element of the fourth resistor at a location of the membrane.
  • the second resistive element of the third resistor is in common with the second resistive element of the fourth resistor in place
  • the first measuring resistor and the second measuring resistor or the third measuring resistor and the fourth measuring resistor instead of the first measuring resistor and the second measuring resistor or the third measuring resistor and the fourth measuring resistor, e.g. the first measuring resistor with the fourth
  • Measuring resistor and the second measuring resistor with the third measuring resistor interleaved are arranged analogously to that described above.
  • Critical to the pressure measurement is only the temperature gradient of two adjacent measuring resistors, ie the first and second measuring resistor and the third and fourth measuring resistor or the second and third measuring resistor and the fourth and first measuring resistor. In other words, two pairs of opposite measuring resistors must be kept constant in temperature.
  • each is in common in one place
  • resistor elements arranged and / or formed such that their resistance changes in a deformation of the membrane have different signs. This makes it possible to maintain the function of the measuring bridge, even if the individual measuring resistors each consist of two resistance elements.
  • the at least four measuring resistors are designed as piezoresistive resistors. This allows a simple
  • the resistance elements are formed as meander-shaped structures with at least one loop. This allows a simple determination of the sign of the change in resistance of the respective resistor element.
  • FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a sensor device according to the invention.
  • FIG. 2 shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention
  • Fig. 3 is a block diagram of another embodiment of a
  • FIG. 4 is a block diagram of a conventional measuring bridge.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a sensor device 1 according to the invention.
  • the sensor device 1 of FIG. 1 has a membrane 2 which is deformable under pressure 10.
  • a vector of the pressure 10 is shown by way of example as pointing into the plane of the drawing. In other embodiments, the pressure may act on the membrane 2 from other directions.
  • the sensor device 1 also has four measuring resistors 3-1 - 3-4, which are interconnected in a kind of ring or quadrilateral. In this case, for example, supply or measuring connections can be arranged at the corners of the quadrangle.
  • each of the four measuring resistors 3-1 - 3-4 divided into two resistive elements 4-1 - 4-8. This is the first one
  • Resistance element 4-4 of the second measuring resistor 3-2 arranged at a location 16 of the membrane 2.
  • Measuring resistor 3-3 is arranged together with the first resistance element 4-7 of the fourth measuring resistor 3-4 at a location 17 of the membrane 2. Finally, the second resistive element 4-6 of the third sense resistor 3-3 is common with the second resistive element 4-8 of the fourth
  • Measuring resistor 3-4 arranged at a location 18 of the membrane 2.
  • the resistance elements 4-1 - 4-8 each represent half of the respective measuring resistor 3-1 - 3-4
  • Resistance elements 4-1 - 4-8 nested in pairs nested on or on the membrane 2, the pairs of
  • Resistive elements 4-1 - 4-8 a good thermal coupling.
  • the total resistance of one of the measuring resistors 3-1 - 3-4 now results from the mean value of two adjacent temperatures.
  • An influence on the difference of the electrical resistance of two interleaved measuring resistors 3-1 - 3-4 now has only the temperature gradient at the respective location at which the pairs of resistive elements 4-1 - 4-8, are arranged. Since the pairs of resistive elements 4-1 - 4-8 can each be arranged very close to each other, the relevant
  • an arrangement according to the invention of the measuring resistors 3-1 - 3-4 can be constructed without intersecting conductor tracks, which simplifies the production of the sensor device 1.
  • the first measuring resistor 3-1 and the second measuring resistor 3-2 or the third measuring resistor 3-3 and the fourth measuring resistor 3-4 instead of the first measuring resistor 3-1 and the second measuring resistor 3-2 or the third measuring resistor 3-3 and the fourth measuring resistor 3-4, for example, the first measuring resistor 3-1 with the fourth measuring resistor 3-4 and the second Measuring resistor 3-2 with the third
  • Resistance elements 4-1 - 4-8 arranged analogous to that described above.
  • Fig. 2 shows a flowchart of an embodiment of a
  • the method provides for providing Sl, a pressure deformable membrane 2. Furthermore, at least four measuring resistors 3-1 - 3-4 will be arranged on and / or on the membrane 2, S2.
  • each of the at least four measuring resistors 3-1 - 3-4 are each in the form of two resistive elements 4-1 - 4-8, which are each arranged electrically in series at different locations on and / or on the membrane 2 , arranged on the membrane 2.
  • the two resistance elements 4-1 - 4-8 of each of the at least four measuring resistors 3-1 - 3-4 can be arranged and / or formed in such a way that their resistance changes have the same sign when the membrane 2 is deformed.
  • Resistive elements 4-1 - 4-8 different measuring resistors 3-1 - 3-4 also have different signs.
  • the four measuring resistors 3-1 - 3-4 will be arranged in the form of a measuring bridge 5.
  • the measuring bridge 5 has a positive supply connection 6 and a negative supply
  • the first of the measuring resistors 3-1 - 3-4 can be connected to the positive one
  • the second of the measuring resistors 3-1 - 3-4 can with the positive
  • the third of the measuring resistors 3-1 - 3-4 can be coupled to the negative supply terminal 7 and the positive measuring terminal 8, and the fourth of the measuring resistors 3-1 - 3-4 can be connected to the negative
  • Supply terminal 7 and the negative measuring terminal 9 are coupled.
  • Embodiment in pairs at a location on or on the membrane 2.
  • the resistance elements 4-1 - 4-8 are arranged in pairs so close to each other that only a negligible temperature gradient between each paired resistor elements 4-1 - 4-8 can occur.
  • the first resistive element 4-1 of the first measuring resistor 3-1 can be arranged together with the first resistive element 4-3 of the second measuring resistor 3-2 at a location 15 of the membrane 2.
  • Measuring resistor 3-1 are arranged together with the second resistor element 4-4 of the second measuring resistor 3-2 at a location 16 of the membrane 2.
  • the first resistive element 4-5 of the third measuring resistor 3-3 may be used together with the first resistive element 4-7 of the fourth
  • Measuring resistor 3-4 are arranged at a location 17 of the diaphragm 2 and the second resistance element 4-6 of the third measuring resistor 3-3 together with the second resistor element 4-8 of the fourth
  • Measuring resistor 3-4 are arranged at a location 18 of the membrane 2.
  • the resistor elements 4-1 - 4-8 which are each arranged together in one location, can be arranged and / or formed in one embodiment in such a way that their resistance changes have different signs when the diaphragm 2 is deformed.
  • the four measuring resistors 3-1 - 3-4 are formed as piezoresistive resistors, which are designed in particular as meander-shaped structures with at least one loop. This will be in
  • the production method according to the invention can be used, for example, for producing a microelectromechanical or MEMS-based sensor.
  • semiconductor manufacturing processes can be used.
  • Fig. 3 shows a block diagram of another embodiment of a
  • the sensor device 1 of FIG. 3 is based on the sensor device 1 of FIG. 1 and differs therefrom in that the measuring resistors 3-1 - 3-4 (not separately designated) in the form of a measuring bridge 5 with a positive supply terminal 6, a negative supply terminal 7, and a positive measuring terminal 8 and a negative measuring terminal 9 are arranged.
  • each of the resistance elements 4-1 - 4-8 of FIG. 3 each show a meandering structure.
  • Each of the resistance elements 4-1 - 4-8 has at least one loop.
  • Resistance element 4-1 - 4-8 at a stretch or elongation which is e.g. having a pressure on the membrane 2.
  • the output signals of the two resistive elements 4-1 - 4-8 have opposite signs. If such a loop of the meandering structure is stretched in width, the electrical resistance decreases. On the other hand, when stretched in length, the electrical resistance of the meandering structure increases.
  • FIG. 3 shows a block diagram of a conventional measuring bridge with a positive and a negative supply connection U +, U- and one positive and one negative measuring connection ⁇ +, M-.
  • Bridge resistors Rl - R4 arranged spatially separated.
  • a temperature gradient on the membrane may cause each of the bridge resistors R1-R4 to have a different temperature.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck, mit einer unter Druck verformbaren Membran und mit mindestens vier Messwiderständen, welche jeweils zwei Widerstandselemente aufweisen, wobei die zwei Widerstandselemente jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran angeordnet sind. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung.

Description

Beschreibung Titel
Sensoreinrichtung und entsprechendes Herstellungsverfahren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck und ein Herstellungsverfahren für eine Sensoreinrichtung.
Stand der Technik
Drucksensoren werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können Drucksensoren in Consumergeräten, wie z.B. Handys, Haushaltsgeräten, Gaswarnern oder dergleichen eingesetzt werden.
Zur Druckmessung werden dabei häufig MEMS-basierte (Mikro-Elektro- Mechanische-Systeme) Sensoren eingesetzt. Dabei wird üblicherweise eine Messbrücke auf einer unter Druck elastisch verformbaren Membran aufgebracht.
Die DE 102 31 727 AI zeigt beispielhaft einen solchen Drucksensor.
Die Widerstandsmessbrücke besteht üblicherweise aus vier abwechselnd reihum angeordneten lateral und longitudinal druckempfindlichen piezoresistiven Elementen. Ein Verbiegen der Membran führt zu einer gegenläufigen
Widerstandsänderung benachbarter Widerstande und damit zu einer veränderten Brückenspannung.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Demgemäß ist vorgesehen: Eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck, mit einer unter Druck verformbaren Membran und mit mindestens vier Messwiderständen, welche jeweils zwei Widerstandselemente aufweisen, wobei die zwei
Widerstandselemente jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran angeordnet sind.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, aufweisend Bereitstellen einer unter Druck verformbaren Membran, und
Anordnen von mindestens vier Messwiderständen an und/oder auf der Membran, wobei jeder der mindestens vier Messwiderstände jeweils in Form von zwei Widerstandselementen, welche jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran angeordnet werden, auf der Membran angeordnet wird.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass piezoresistive Widerstände sehr temperaturempfindlich sind. Besonders kritisch ist ein Temperaturgradient auf der Membran, da hier nicht mehr zwischen temperaturinduzierter und druckinduzierter Widerstandsänderung unterschieden werden kann.
Ein Gradient wird z.B. durch den Betrieb benachbarter leistungsintensiver Bauelemente hervorgerufen. Um einen Temperaturgradienten zu ermitteln, sind bisher mindestens 2 unterschiedliche temperaturempfindliche Elemente, i.d. R. Dioden oder Widerstände, nötig. Neben dem erhöhten Platzbedarf bestehen auch extreme Anforderungen an die Messgenauigkeit, da bereits Gradienten im Millikelvin-Bereich die Druckerfassung merklich beeinflussen.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, die Temperaturabhängigkeit der Messwiderstände der Sensoreinrichtung zu verringern.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, dass jeder der vier Messwiderstände aus zwei Widerstandselementen aufgebaut wird, welche elektrisch in Serie aber an unterschiedlichen Orten auf oder an der Membran der Sensoreinrichtung angeordnet werden.
Dies ermöglicht die Anordnung der einzelnen Widerstandselemente der Sensoreinrichtung in einer Art und Weise, die die Einflüsse der Temperatur auf einen Messwiderstand in dem jeweils benachbarten Messwiderstand repliziert und dadurch die Sensoreinrichtung unempfindlicher gegenüber
Temperaturunterschieden macht.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform sind die zwei Widerstandselemente jedes der mindestens vier Messwiderstände derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran in einer gemeinsamen vorgegebenen Richtung das gleiche Vorzeichen aufweisen. Dies ermöglicht die Anordnung der jeweils zwei Widerstandselemente an
unterschiedlichen Orten, ohne die Funktion des jeweiligen Messwiderstands zu verändern.
In einer Ausführungsform sind die vier Messwiderstände in Form einer
Messbrücke angeordnet. Ferner weist die Messbrücke einen positiven
Versorgungsanschluss und einen negativen Versorgungsanschluss und einen positiven Messanschluss und einen negativen Messanschluss auf. Dies ermöglicht eine einfache Auswertung der Verformung der Membran.
In einer Ausführungsform ist der erster der Messwiderstände mit dem positiven Versorgungsanschluss und dem positiven Messanschluss gekoppelt.
In einer Ausführungsform ist der zweite der Messwiderstände mit dem positiven Versorgungsanschluss und dem negativen Messanschluss gekoppelt. In einer Ausführungsform ist der dritte der Messwiderstände mit dem negativen Versorgungsanschluss und dem positiven Messanschluss gekoppelt. In einer Ausführungsform ist der vierte der Messwiderstände mit dem negativen
Versorgungsanschluss und dem negativen Messanschluss gekoppelt.
In einer Ausführungsform ist das erste Widerstandselement des ersten
Widerstands gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement des zweiten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet. In einer Ausführungsform ist das zweite Widerstandselement des ersten Widerstands gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement des zweiten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet. In einer Ausführungsform ist das erste Widerstandselement des dritten
Widerstands gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement des vierten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet. In einer Ausführungsform ist das zweite Widerstandselement des dritten Widerstands gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement des vierten Widerstands an einem Ort der
Membran angeordnet.
In einer Ausführungsform sind anstelle des ersten Messwiderstands und des zweiten Messwiderstands bzw. des dritten Messwiderstands und des vierten Messwiderstands z.B. der erste Messwiderstand mit dem vierten
Messwiderstand und der zweite Messwiderstand mit dem dritten Messwiderstand ineinander verschachtelt. Dabei sind die einzelnen Widerstandselemente analog zu dem oben beschriebenen angeordnet.
Kritisch für die Druckmessung ist nur der Temperaturgradient jeweils zweier benachbarter Messwiderstände, also des ersten und zweiten Messwiderstands und des dritten und vierten Messwiderstands oder des zweiten und dritten Messwiderstandes und des vierten und ersten Messwiderstandes. Es müssen also jeweils zwei sich gegenüber liegende Pärchen von Messwiderständen temperaturkonstant gehalten werden.
Ist die Temperatur des ersten und des zweiten Messwiderstands gleich und die Temperatur des dritten und vierten Messwiderstands gleich, so verschieben sich die Potentiale an dem positiven und dem negativen Messanschluss
gleichermaßen. Der Arbeitspunkt der Ausleseschaltung ändert sich, das differentielle Signal der Messbrücke bleibt aber konstant. Der Gesamtwiderstand ergibt sich nun aus dem Mittelwert zweier an den jeweiligen Orten herrschenden Temperaturen. Einen Einfluss auf die Messung hat daher nur noch der
Temperaturgradient zwischen den jeweils an einem Ort angebrachten
Widerstandselementen. Dieser liegt jedoch um Größenordnungen unterhalb des Gesamttemperaturgradienten. Folglich kann die Messung des Drucks gegenüber äußeren Temperatureinflüssen unabhängiger gestaltet werden. Sind z.B. die Temperaturen des zweiten Messwiderstands und des dritten Messwiderstands sowie des vierten Messwiderstands und des ersten Messwiderstands gleich, fließen verschiedene Ströme in den parallelen Zweigen, das Potential am Messanschluss verschiebt sich aber nicht.
In einer Ausführungsform sind die jeweils gemeinsam an einem Ort
angeordneten Widerstandselemente derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Dies ermöglicht es, die Funktion der Messbrücke aufrechtzuerhalten, auch, wenn die einzelnen Messwiderstände aus jeweils zwei Widerstandselementen bestehen.
In einer Ausführungsform sind die mindestens vier Messwiderstände als piezoresistive Widerstände ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache
Herstellung der Messwiderstände gemeinsam mit den weiteren Strukturen der Sensoreinrichtung z.B. in einem MEMS-Herstellungsprozess.
In einer Ausführungsform sind die Widerstandselemente als meanderförmige Strukturen mit mindestens einer Schlaufe ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Festlegung des Vorzeichens der Widerstandsänderung des jeweiligen Widerstandselements..
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen,
Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; und Fig. 4 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Messbrücke.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1.
Die Sensoreinrichtung 1 der Fig. 1 weist eine Membran 2 auf, die unter Druck 10 verformbar ist. In Fig. 1 ist ein Vektor des Drucks 10 beispielhaft als in die Zeichenebene hineinzeigend dargestellt. In weiteren Ausführungsformen kann der Druck aus anderen Richtungen auf die Membran 2 einwirken. Die Sensoreinrichtung 1 weist ferner vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 auf, die in einer Art Ring oder Viereck miteinander verschaltet sind. Dabei können z.B. an den Ecken des Vierecks jeweils Versorgungs- oder Messanschlüsse angeordnet sein.
In Fig. 1 ist zu erkennen, dass jeder der vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 in zwei Widerstandselemente 4-1 - 4-8 geteilt ist. Dabei ist das erste
Widerstandselement 4-1 des ersten Messwiderstands 3-1 gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement 4-3 des zweiten Messwiderstands 3-2 an einem Ort 15 der Membran 2 angeordnet. Ferner ist das zweite Widerstandselement 4-2 des ersten Messwiderstands 3-1 gemeinsam mit dem zweiten
Widerstandselement 4-4 des zweiten Messwiderstands 3-2 an einem Ort 16 der Membran 2 angeordnet. Das erste Widerstandselement 4-5 des dritten
Messwiderstands 3-3 ist gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement 4-7 des vierten Messwiderstands 3-4 an einem Ort 17 der Membran 2 angeordnet. Schließlich ist das zweite Widerstandselement 4-6 des dritten Messwiderstands 3-3 gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement 4-8 des vierten
Messwiderstands 3-4 an einem Ort 18 der Membran 2 angeordnet.
In einer Ausführungsform stellen die Widerstandselemente 4-1 - 4-8 jeweils die Hälfte des jeweiligen Messwiderstands 3-1 - 3-4 dar. Dadurch, dass die
Widerstandselemente 4-1 - 4-8 jeweils in Paaren miteinander verschachtelt auf oder an der Membran 2 angeordnet werden, haben die Paare von
Widerstandselementen 4-1 - 4-8 eine gute thermische Kopplung.
Der Gesamtwiderstand eines der Messwiderstände 3-1 - 3-4 ergibt sich nun aus dem Mittelwert zweier benachbarter Temperaturen. Einen Einfluss auf die Differenz des elektrischen Widerstands zweier ineinander verschachtelter Messwiderstände 3-1 - 3-4 hat nun nur noch der Temperaturgradient an dem jeweiligen Ort, an welchem die Paare von Widerstandselementen 4-1 - 4-8, angeordnet sind. Da die Paare von Widerstandselementen 4-1 - 4-8 jeweils sehr nah beieinander angeordnet werden können, ist der relevante
Temperaturgradient vernachlässigbar klein.
Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, kann eine erfindungsgemäßen Anordnung der Messwiderstände 3-1 - 3-4 ohne sich kreuzende Leiterbahnen aufgebaut werden, was die Herstellung der Sensoreinrichtung 1 vereinfacht. In einer Ausführungsform sind anstelle des ersten Messwiderstands 3-1 und des zweiten Messwiderstands 3-2 bzw. des dritten Messwiderstands 3-3 und des vierten Messwiderstands 3-4 z.B. der erste Messwiderstand 3-1 mit dem vierten Messwiderstand 3-4 und der zweite Messwiderstand 3-2 mit dem dritten
Messwiderstand 3-3 ineinander verschachtelt. Dabei sind die einzelnen
Widerstandselemente 4-1 - 4-8 analog zu dem oben beschriebenen angeordnet.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine erfindungsgemäße
Sensoreinrichtung 1.
Das Verfahren sieht das Bereitstellen, Sl, einer unter Druck 10 verformbaren Membran 2 vor. Ferner werden mindestens vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 an und/oder auf der Membran 2 anzuordnen, S2.
Beim Anordnen, S2, wird jeder der mindestens vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 jeweils in Form von zwei Widerstandselementen 4-1 - 4-8, welche jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran 2 angeordnet werden, auf der Membran 2 angeordnet.
Insbesondere können jeweils die zwei Widerstandselemente 4-1 - 4-8 jedes der mindestens vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 derart angeordnet und/oder ausgebildet werden, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran 2 das gleiche Vorzeichen aufweisen. Dabei können die
Widerstandselemente 4-1 - 4-8 unterschiedlicher Messwiderstände 3-1 - 3-4 auch unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 in Form einer Messbrücke 5 angeordnet werden. Die Messbrücke 5 weist dabei einen positiven Versorgungsanschluss 6 und ein negativen
Versorgungsanschluss 7, sowie einen positiven Messanschluss 8 und einen negativen Messanschluss 9 auf.
Bei Anordnung der Messwiderstände 3-1 - 3-4 in Form eine Messbrücke 5 kann der erster der Messwiderstände 3-1 - 3-4 mit dem positiven
Versorgungsanschluss 6 und dem positiven Messanschluss 8 gekoppelt werden. „
Der zweite der Messwiderstände 3-1 - 3-4 kann mit dem positiven
Versorgungsanschluss 6 und dem negativen Messanschluss 9 gekoppelt werden. Ferner kann der dritte der Messwiderstände 3-1 - 3-4 mit dem negativen Versorgungsanschluss 7 und dem positiven Messanschluss 8 gekoppelt werden und der vierte der Messwiderstände 3-1 - 3-4 kann mit dem negativen
Versorgungsanschluss 7 und dem negativen Messanschluss 9 gekoppelt werden.
Die Anordnung der Widerstandselemente 4-1 - 4-8 erfolgt in einer
Ausführungsform jeweils paarweise an einem Ort auf oder an der Membran 2. Dabei sind die Widerstandselemente 4-1 - 4-8 paarweise jeweils so nahe beieinander angeordnet, dass nur ein vernachlässigbarer Temperaturgradient zwischen den jeweils als Paar angeordneten Widerstandselementen 4-1 - 4-8 auftreten kann. Insbesondere kann das erste Widerstandselement 4-1 des ersten Messwiderstands 3-1 gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement 4-3 des zweiten Messwiderstands 3-2 an einem Ort 15 der Membran 2 angeordnet werden. Ferner kann das zweite Widerstandselement 4-2 des ersten
Messwiderstands 3-1 gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement 4-4 des zweiten Messwiderstands 3-2 an einem Ort 16 der Membran 2 angeordnet werden. Das erste Widerstandselement 4-5 des dritten Messwiderstands 3-3 kann gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement 4-7 des vierten
Messwiderstands 3-4 an einem Ort 17 der Membran 2 angeordnet werden und das das zweite Widerstandselement 4-6 des dritten Messwiderstands 3-3 gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement 4-8 des vierten
Messwiderstands 3-4 an einem Ort 18 der Membran 2 angeordnet werden.
Die jeweils gemeinsam an einem Ort angeordneten Widerstandselemente 4-1 - 4-8 können in einer Ausführungsform derart angeordnet und/oder ausgebildet werden, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran 2 unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
In einer Ausführungsform werden die vier Messwiderstände 3-1 - 3-4 als piezoresistive Widerstände ausgebildet, die insbesondere als meanderförmige Strukturen mit mindestens einer Schlaufe ausgebildet sind. Dies wird in
Zusammenhang mit Fig. 3 näher erläutert. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann z.B. zur Herstellung eines mikroelektromechanischen oder MEMS-basierten Sensors eingesetzt werden. Dabei können z.B. Halbleiterherstellungsprozesse angewendet werden.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1.
Die Sensoreinrichtung 1 der Fig. 3 basiert auf der Sensoreinrichtung 1 der Fig. 1 und unterscheidet sich von dieser dadurch, dass die Messwiderstände 3-1 - 3-4 (nicht separat bezeichnet) in Form einer Messbrücke 5 mit einem positiven Versorgungsanschluss 6, einem negativen Versorgungsanschluss 7, sowie einem positiven Messanschluss 8 und einem negativen Messanschluss 9 angeordnet sind.
Ferner zeigen die einzelnen Widerstandselemente 4-1 - 4-8 der Fig. 3 jeweils eine meanderförmige Struktur. Jedes der Widerstandselemente 4-1 - 4-8 weist dabei mindestens eine Schlaufe auf.
Durch die Anordnung der Schlaufe kann jeweils das Vorzeichen der
Widerstandsänderung festgelegt werden, welche das jeweilige
Widerstandselement 4-1 - 4-8 bei einer Dehnung oder Streckung, welche z.B. durch einen Druck auf die Membran 2 aufweist.
Wird die Schlaufe der meanderförmigen Struktur eines Widerstandselements 4-1 - 4-8 z.B. in einem 90° Winkel versetzt zu der Schlaufe der meanderförmigen Struktur eines anderen Widerstandselements 4-1 - 4-8 angeordnet, so weisen die Ausgangssignale der zwei Widerstandselemente 4-1 - 4-8 umgekehrte Vorzeichen auf. Wird eine solche Schlaufe der meanderförmigen Struktur in der Breite gedehnt, sinkt der elektrische Widerstand. Bei einer Dehnung in der Länge dagegen steigt der elektrische Widerstand der meanderförmigen Struktur.
Die Anordnung der meanderförmigen Struktur in Fig. 3 ist dabei lediglich beispielhaft und kann in weiteren Ausführungsformen von den hier gezeigten Formen abweichen. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Messbrücke mit einem positiven und einem negativen Versorgungsanschluss U+, U- und einem positiven und einem negativen Messanschluss Μ+, M-.
In Fig. 4 ist zu erkennen, dass jeweils einer der Brückenwiderstände Rl - R4 auf einem Zweig der Messbrücke angeordnet ist. Dadurch bedingt sind die
Brückenwiderstände Rl - R4 räumlich voneinander getrennt angeordnet.
Werden als Brückenwiderstände Rl - R4 temperaturempfindliche
Brückenwiderstände Rl - R4 eingesetzt, was bei MEMS-Elementen
üblicherweise der Fall ist, kann ein Temperaturgradient auf der Membran dazu führen, das jeder der Brückenwiderstände Rl - R4 einen andere Temperatur aufweist.
Bei dieser herkömmlichen Anordnung der Brückenwiderstände Rl - R4 können unterschiedliche Temperaturen der Brückenwiderstände Rl - R4 nur durch eine aufwändige Messung der jeweiligen Temperatur kompensiert werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Sensoreinrichtung (1) zur Erfassung von Druck (10), mit einer unter Druck (10) verformbaren Membran (2); und mit mindestens vier Messwiderständen (3-1 - 3-4), welche jeweils zwei
Widerstandselemente (4-1 - 4-8) aufweisen, wobei die zwei
Widerstandselemente (4-1 - 4-8) jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran (2) angeordnet sind.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die zwei Widerstandselemente (4-1 - 4-8) jedes der mindestens vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran (2) das gleiche Vorzeichen aufweisen.
3. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) in Form einer Messbrücke (5) angeordnet sind; wobei die Messbrücke (5) einen positiven Versorgungsanschluss (6) und einen negativen Versorgungsanschluss (7) und einen positiven Messanschluss (8) und einen negativen Messanschluss (9) aufweist.
4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei der erster der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem positiven
Versorgungsanschluss (6) und dem positiven Messanschluss (8) gekoppelt ist; und/oder wobei der zweite der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem positiven
Versorgungsanschluss (6) und dem negativen Messanschluss (9) gekoppelt ist; und/oder wobei der dritte der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem negativen
Versorgungsanschluss (7) und dem positiven Messanschluss (8) gekoppelt ist; und/oder wobei der vierte der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem negativen
Versorgungsanschluss (7) und dem negativen Messanschluss (9) gekoppelt ist.
5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Widerstandselement (4-1) des ersten Messwiderstands (3-1) gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement (4-3) des zweiten
Messwiderstands (3-2) an einem Ort (15) der Membran (2) angeordnet ist; und/oder wobei das zweite Widerstandselement (4-2) des ersten Messwiderstands (3-1) gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement (4-4) des zweiten
Messwiderstands (3-2) an einem Ort (16) der Membran (2) angeordnet ist; und/oder wobei das erste Widerstandselement (4-5) des dritten Messwiderstands (3-3) gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement (4-7) des vierten
Messwiderstands (3-4) an einem Ort (17) der Membran (2) angeordnet ist; und/oder wobei das zweite Widerstandselement (4-6) des dritten Messwiderstands (3-3) gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement (4-8) des vierten
Messwiderstands (3-4) an einem Ort (18) der Membran (2) angeordnet ist.
6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, wobei die jeweils gemeinsam an einem Ort angeordneten Widerstandselemente (4-1 - 4-8) derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass deren
Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran (2) unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
7. Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) als piezoresistive Widerstände ausgebildet sind.
8. Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, wobei die Widerstandselemente (4-1 - 4-8) als meanderförmige Strukturen mit mindestens einer Schlaufe ausgebildet sind.
9. Herstellungsverfahren für eine Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend:
Bereitstellen (Sl) einer unter Druck (10) verformbaren Membran (2); und
Anordnen (S2) von mindestens vier Messwiderständen (3-1 - 3-4) an und/oder auf der Membran (2); wobei jeder der mindestens vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) jeweils in Form von zwei Widerstandselementen (4-1 - 4-8), welche jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran (2) angeordnet werden, auf der Membran (2) angeordnet wird.
10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, wobei die zwei Widerstandselemente (4-1 - 4-8) jedes der mindestens vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) derart angeordnet und/oder ausgebildet werden, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran (2) das gleiche Vorzeichen aufweisen.
11. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, wobei die vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) in Form einer Messbrücke (5) angeordnet werden; wobei für die Messbrücke (5) ein positiver Versorgungsanschluss (6) und ein negativer Versorgungsanschluss (7) und ein positiver Messanschluss (8) und ein negativer Messanschluss (9) bereitgestellt werden.
12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, wobei der erster der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem positiven
Versorgungsanschluss (6) und dem positiven Messanschluss (8) gekoppelt wird; und/oder wobei der zweite der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem positiven
Versorgungsanschluss (6) und dem negativen Messanschluss (9) gekoppelt wird; und/oder wobei der dritte der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem negativen
Versorgungsanschluss (7) und dem positiven Messanschluss (8) gekoppelt wird; und/oder wobei der vierte der Messwiderstände (3-1 - 3-4) mit dem negativen
Versorgungsanschluss (7) und dem negativen Messanschluss (9) gekoppelt wird.
13. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das erste Widerstandselement (4-1) des ersten Messwiderstands (3-1) gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement (4-3) des zweiten
Messwiderstands (3-2) an einem Ort (15) der Membran (2) angeordnet wird; und/oder wobei das zweite Widerstandselement (4-2) des ersten Messwiderstands (3-1) gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement (4-4) des zweiten
Messwiderstands (3-2) an einem Ort (16) der Membran (2) angeordnet wird; und/oder wobei das erste Widerstandselement (4-5) des dritten Messwiderstands (3-3) gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement (4-7) des vierten
Messwiderstands (3-4) an einem Ort (17) der Membran (2) angeordnet wird; und/oder wobei das zweite Widerstandselement (4-6) des dritten Messwiderstands (3-3) gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement (4-8) des vierten
Messwiderstands (3-4) an einem Ort (18) der Membran (2) angeordnet wird.
14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, wobei die jeweils gemeinsam an einem Ort angeordneten Widerstandselemente (4-1 - 4-8) derart angeordnet und/oder ausgebildet werden, dass deren
Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran (2) unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
15. Herstellungsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 14, wobei die mindestens vier Messwiderstände (3-1 - 3-4) als piezoresistive Widerstände ausgebildet werden; und/oder wobei die Widerstandselemente (4-1 - 4-8) als meanderförmige Strukturen mit mindestens einer Schlaufe ausgebildet werden.
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