DD286222A5 - Piezoresistiver drucksensor mit biegesteifem zentrum - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Drucksensor mit biegesteifem Zentrum fuer kleine Meszbereich, der aufgabengemaesz im Nenndruckbereich * einen von der Druckeinleitungsrichtung unabhaengigen Linearitaetsfehler aufweist, der betragsmaeszig kleine Werte annimmt. Erreicht wird das dadurch, dasz der Sensor eine rechteckfoermige Druckplatte besitzt, die zentralsymmetrisch ein rechteckfoermiges biegesteifes Zentrum aufweist und dasz auf der Druckplatte zwei piezoresistive Widerstandsvollbruecken, die jeweils zwei Laengs- und zwei Querwiderstaende aufweisen, so angeordnet sind, dasz die Widerstaende der einen Bruecke in der Naehe des aeuszeren Randes der Druckplatte und die der anderen Bruecke in der Naehe des inneren Randes am biegesteifen Zentrum liegen. Die sich jeweils entsprechenden Widerstaende beider Bruecken weisen gleiche Abmessungen und gleiche Abstaende vom inneren bzw. aeuszeren Rand der Druckplatte auf. Bei Druckeinwirkung auf die Widerstandsseite des Sensorchips wird das Ausgangssignal von der Bruecke am aeuszeren Rand und bei Druckeinwirkung auf die gegenueberliegende Seite von der Bruecke am inneren Rand gebildet. Fig. 1{Druckmeszgeraet; Drucksensor; Silizium; piezoresistiv; Membrantyp; biegesteifes Zentrum; Piezorwiderstaende; Brueckenschaltung; Linearitaetsfehler; unabhaengig; Druckeinleitung}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Drücken in Gasen und Fluiden. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Piezoresistive Drucksensoren weisen im allgemeinen einen plattenförmigen Verformungskörper auf, dor innerhalb eines Halbleitereubstrates lokal durch mikromechanische Verfahren, meist naßchemische Äütechniken, abgedünnt ist. Der Verformungskörper besteht damit aus dem gleichen Material wie das Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus Silizium. In oder auf dem Verformungskörper befinden sich Piezowiderstände aus dotiertem mono- odor polykristallinem Silizium. (V.l. VAGANOV; Integralnye tenzopreobrazovateli. Moskau: Energoatomizdat 1983; B.SCHMIDT, D.SCHUBERT: Silicium sensoren. Berlin: akademie-Verlag 1986). Der plattenförmigo Verformungskörper (d.h. die Druckplatte) weist dabei Rechteck· (z.B. DD 137.S66), Quadrat- (z.B. DE 3.538.453, US 4.400.681), Kreis- (z.B. DD 133.714, DE 2.856.708, US 4.439.752), achteck- (z.B. DD 150.376, DE 3.345.988) oder eine andere Form auf.

Da bei konstant vorgegebenem ünearitätsfehler die Empfindlichkeit piezoresistiver Drucksensoren unterhalb einer bestimmten Grenze mit kleiner werdendem Nenndruck abnimmt (J. BINDER u.a.: Silicon pressure Sensors for the 2kPe to 4011 Pa range. Siemens Forschungs· und Entwicklungsberichte 13 (1984) 6, S. 294-302), werden im allgemeinen für kleine Meßbereiche in den Druckplatten biegesteife Zentren realisiert. Druckplatten mit einem zentral in der Platte angeordneten biegesteifen Zentrum sind beispielsweise mit kreisförmiger (US 3.341.794) und quadratischer Struktur (US 4.236.137) bekannt. Der Verformungskörper kann dabei »ine im Rahmen der Fertigungstoleranzen konstante Dicke aufweisen oder so gestaltet sein, daß er dickere Bereiche, die als Biegefedern wirken und die Steifigkeit des Verformungskörpers bestimmen, und dünnere Bereiche, die zur Druckabdichtung dienen, besitzt (Y.MATSUOKA u.a.: Differential pressure/pressure transmitters applied lerith semicondueto sensors. IEIiE Transactions on Industrial Electromics IE-33 (1986] 2, S. 152-157; H. REIMANN: New mechanical structures to achieve low pressure silicon sensors and accelerometer. Kongreßunterlagen zur Sensor 88. Nürnberg: ΑΜΑ 1988, S. 265-280). Die piezoresistiven Widerstandsstrukturen, die auf diesen Druckplatten angeordnet sind, besitzen entweder vier Längswiderstände (M. SHIMAZOE u.a.: a special silicon diaphragm pressure sensor wirh high autput and high accuracy. Sensors and actuators 2 (1982), S. 275-282; J.BINDER u.a. Silizium-Drucksensoren für den Bereich 2kPa bis 4011 Pa Teil 1: Ein Chip

für jeden Druckbereich. Siemens Components 23 (1985) 2, S. 64-67) oder vier Querwiderstände (US 4.236.137), von denen jeweils zwei in der Nine des biegeeteifen Zentrums und zwei in der Nähe des äußeren Einspannrandes angeordnet sind, oder aber zwei Längs- und zwei Querwiderstände, wobei alle vier Widerstände am inneren oder am äußeren Rand des Verformungskörpers positioniert wurden (P. OHLCKERS u. a.: a mechanical based sensor element with low deflection and high resonance frequency. Transducers 87. Digest of Technical Papers. Tokyo: IEEE 1987, S.332-335).

Widerttano'svollbrOcken, bei denen jeweils zwei längs- und Querwiderstände an einem Rand des Verformungskörpers liegen, zeigen für die beiden Möglichkeiten der Einleitungsrichtung des Meßdruckes auf den Drucksensorchip stark abweichende Linearitätsfehler. Für die Fälle, daß der Meßdruck auf die Widerstandsseite der Druckplatte wirkt und die vier Brückenwiderstände in der Nähe des äußeren Plattenrandes liegen bzw. daß der Meßdruck auf die den Widerständen abgewandte Seite wirkt und die vier Brückenwiderstände in der des biegesteifen Zentrums am inneren Plattenrand liegen, tritt eine teilweise Kompensation der Membranspannungen (infolge der Verlängerung der neutralen Faser bei Auslenkung infolge Druck) und der daraus resultierenden nichtlinearen Biegespannungen ein.

Bei den beiden anderen Fällen überlagern sich die nichtlinearen Membran- und Biegespannungsanteile, so daß eine wesentliche Vergrößerung des Linearitätsfehlers im Meßbereich zu beobachten ist. Für Drucksensoren mit symmetrischem Nenndruckbereich p_N...+p_N weist damit jede der beiden Widerstandslängen am inneren bzw. äußeren Plattenrand einen Bereich mit sehr großem Linearitätsfehler auf.

Widerstandsvollbrücken mit vier Längs- oder Querwiderständen, die paarweise symmetrisch zur Plattenmitte am inneren und äußeren Plattenrand angeordnet sind, zeigen hinsichtlich der beiden Druckeinleitungsrichtungen auf den Sensorchip symmetrisch nichtlineares Verhalten im Meßbereich ~p_N... +Pn, weisen jedoch prinzipiell relativ hohe Linearitätsfehler auf, da immer bei zwei Widerständen der Vollbrücke die Überlagerung der Membran- und der nichtlinearen Biegespannungsanteile erfolgt (G. GERLACH: Die Berechnung der Linearitätsfehler piezoresistiver Druckwandler mit analytischen Ansätzen. Forschun jsbericht 20/87.1U Dresden, Sektion Informationstechnik 1987).

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung des druckabhängigen Linearitätsfehlers piezoresistiver Drucksensoren mit biegesteifem Zentrum im symmetrischen Nenndruckbereich -pn...+Ρν·

Darstellung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoresistiven Drucksensor mit biegesteifem Zentrum für kleine Meßbereiche zu schaffen, der im Nenndruckbereich -ρ«·.· + Pn einen symmetrischen, d.h. von der Druckeinleitungsrichtung unabhängigen Linearitätsfehler aufweist, der betragsmäßig sehr kleine Werte annimmt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der piezoresistive Drucksensor eine rechteckförmige Druckplatte aufweist, die zentralsymmetrisch ein rechteckförmiges biegesteifes Zentrum besitzt und daß auf der Druckplatte zwei piezoresistive WiderstandsvollbrOcken, die jeweils zwei Längs- und zwei Querwiderstände aufweisen, so angeordnet sind, daß die Widerstände der einen in der Nähe des äußeren Randes der Druckplatte und die der anderen Brücke in der Nähe des inneren Randes am biegesteifen Zentrum liegen und die sich jeweils entsprechenden Widerstände der beiden Brücken gleiche Abmessungen und gleiche Abstände vom inneren bzw. äußeren Rand der Druckplatte aufweisen, wobei der Druck -p_N5p<0 der auf die Widerstandsseite dos Sensorchips wirkt, mit der Widerstandsbrücke am äußeren Rand der Druckplatte und der Druck 0 s ρ S + Pn, der auf die den Widerständen gegenüberliegende Seite wirkt, mit der Widerstandsbrücke am innoren Rand der Druckplatte in der Nähe des biegesteifen Zentrums gemessen wird.

Sowohl die rechteckförmige Druckplatte als auch das rechteckförmige biegesteife Zentrum können dabei quadratisch ausgeführt sein. Das rechteckige oder quadratische bisgesteife Zentrum kann abgerundete Ecken aufweisen. Im Verformungskörper zwischen der festen äußeren Einspannung und dem festen Zentrum tritt infolge des Meßdrucks ein mechanisches Spannungsbzw. Dehnungsfeld auf, daß sich bei wechselnder Druckeinleitungsrichtung symmetrisch zur Mitte des Plattenspaltes ändert. Damit wirkt bei einer Druckeinleitungsrichtung auf jede der beiden Brücken das gleiche Spannungsfeld wie bei Umkehrung dar Druckeinleitungsrichtung auf die jeweils andere Brücke. Damit tritt bei Einleitung des Druckes auf die Widerstandsseite des Sensorchips |-p_KSpS0)im Bereich des äußeren Randes der Druckplatte eine teilweise Kompensation der Membran- und der nichtlinearen Biegespannungsanteile auf, während sie sich bei der Einwirkung des Druckes von der den Widerständen entgegengesetzten Seite aus im Bareich des inneren Randes einstellt. Die Kompensation ist für beide Fälle infolge der Symmetrie der Widerstände beider Brücken zur Mitte des Plattenspaltes gleich, so daß die Linoaritätsfehler in den beiden Druckboreichen -p_N...0 und0...+Pngleich sind.

Die Kompensation d'jr Membran- und nichtlinearen Biegespannungsanteile führt zu einer erheblichen Verringerung des Druckabhängigen Linearitätsfehlers in den beiden Teilbereichen -Pn-..Ο und 0... +p_N für jeweils eine der beiden Brücken. Die Ausgangsspannung des Drucksensors ergibt sich als Ausgangsspannung der Brücke am äußeren Rand der Druckplatte, wenn der Meßdruck auf die Widerstandsseite des Sensorchips wirkt, und als Ausgangsspannung der Brücke am inneren Rand der Druckplatte, wenn der Meßdruck auf die entgegengesetzte Seite wirkt.

Ausführungsbeisplel

Die Erfindung soll nachstehend an AusfSiirungsbeispielen erläutert werden

Dabei zeigen

Fig. 1 und 2:. Draufsicht und Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgeführten Drucksensors mit biegesteifem Zentrum, Fig. 3 und 4: den Querschnitt des Drucksensors für die beiden Möglichkeiten der Druckeinleitungsrichtung, Fig. 5: eine Möglichkeit der Ermittlung der Sensorausgangsspannung aus den Ausgangsspannungen der beiden

piezoresistiven Vollbrücken des erfindungsgemäß ausgeführten Durcksensors, Fig. 6,7 und 8: andere Varianten für erfindungsgemäß ausgeführte Drucksensoren und die Abhängigkeit des Linearitätsfehlers von der Empfindlichkeit bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Drucksensor.

Entsprechend den Fig. 1 und 2 besteht der erfindungsgemäß ausgeführte Drucksensor aus einem Einspannrahmen 1, der eine rechteckförmige oder quadratische Druckplatte 3 trägt, wobei die Druckplatte 3 konzentrisch ein rechteckiges oder quadratisches biegesteifes Zentrum 2 aufweist. Der Einspannrehmen 1, die Druckplatte 3 und das biegesteife Zentrum 2 bestehen aus dem gleichen Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, wobei die Druckplatte monolithisch durch Abdünnen des Halbleitersubstrates, ζ. B. durch naßchemisches Ätzen, hergestellt wurde. Die Dicke des biegesteifen Zentrums 2 ist gleich oder kleiner als die des Einspannrandes 1, jedoch mindestens um den Faktor 2 größer als die der Druckplatte 3. Die Druckplatte 3 weist zum Einspannrand 1 hin einen äußeren Rand β und zum biegesteifen Zentrum 2 hin einen inneren Rand 7 auf. In oder auf der Druckplatte 3 liegen zwei piezoresistive Vollbrücken 4 und 5, die aus jeweils vier Widerständen 4 a bis d bzw. 5 a bis d bestehen, wobei erfindungsg.tmäß

- von den vier Widerständen der Brücken 4 bis 5 jeweils zwei Längs widerstände (4 ?, 4 b bzw. 5 a, 5 b) und zwei Querwiderstände (4c,4dbzw.5c,5d)sind,

- sich entsprechende Längs- und Querwiderstände der Brücken 4 und 5 gleiche Abmessungen besitzen und symmetrisch zur Mitte der Druckplatte 3 liegen, d. h. gleichen Abstand vom äußeren Rand 6 bzw. inneren Rand 7 besitzen.

Die Widerstände der Brücken 4 und 5 sind bevorzugt in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der langen Seiten der Druckplatte 3 angeordnet. Gemäß Fig.3 dient die piezoresistive Vollbrücke 4 zur Messung des Druckes auf die Widerstandseite 8, des Drucksensors für -pN s ρ £ 0, während, wie in Fig.4 gezeigt, die piezoresistive Vollbrücke 5 zur Messung des Druckes auf die den Widerständen abgewandte Seite 9 des Drucksensors für Osps +p_N dient.

Die Ausgangsspannung des Drucksensors ergibt sich entsprechend Bild 5 als Ausgangsspannung der Brücke 4 am äußeren Rand β der Druckplatte 3, wenn der Meßdruck auf die Widerstandsseite 8 der Sensor wirkt, und als Ausgangsspannung der Brücke 5 am inneren Rand 7 der Druckplatte 3, wenn der Meßdruck auf die entgegengesetzte Seite 9 des Sensors wirkt. Dazu wird das Absinken der Ausgangsspannung einer Brücke, x. I). der Brücke 5, unter den Wert der Ausgangsspannung bei Fehlen der Druckbelastung des Sensors durch einen Komparator 10 ausgewertet und das Umschalten der Ausgangsspannung des Sensors auf die Ausgsngsspannung der Brücke 4 ausgelöst. Bei Ansteigen der Ausgangsspannung der Brücke 5 über den Wert für ρ «Ό wird durch den Komparator der Schalter 11 so betätigt, daß die Ausgangsspannung des Drucksensors die Ausgangsspannung der Brücke 5 ist.

In den Fig.β und 7 sind weitere Varianten erfindungsgemäß ausgeführter Drucksensoren dargestellt. So zeigt Fig. β Widerstandestrukturen für die Brücken 4 und 6, bei denen die vier Einzelwiderstände räumlich konzentriert angeordnet sind. Die jeweils zwei Längs- und Querwiderstände befinden sich in der Nähe der Mitte einer langen Seite der Druckplatte 3. Fig. 7 zaigt eine Ausführungsvariante, bei der die Druckplatte 3 sehr dünne Bereiche 3 a, die der Druckabdichtung dienen, und um einen Faktor 2...50 dickere Bereiche 3b, die die Nachgiebigkeit der Druckplatte 3 bestimmen, aufweist. Die mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Drucksensor angestrebte Linearitätsfehlerverringerung im symmetrischen Nenndruckbereich -p_N... +Pn ist für den Drucksensor nach Fig. 6 in Fig.8 dargestellt. Die quadratische Druckplatte 3 besteht aus monokristallinem (lOO)-orientiertem η-Silizium, wobei die Kanten der Platte 3 und die Widerstände der piezoresistiven Brücken 4 und S in den kristallogrofischen <110>-Richtungen liegen. Die piezoresistiven Widerstände sind p-dotiert und weisen einen spezifischen Widerstand von 65mO an auf. Fig. 8b zeigt die Abhängigkeit des Linearitätsfehlers /FL/ von der Empfindlichkeit bu,p. Der Linearitätsfehler /FL/ stellt dabei den für die Druckbereiche -p_N...O und 0... +Pn maximalen endwertbezogenen Sekantenfehler dar, während die Empfindlichkeit bu,p das Verhältnis aus Sensorausgangsspannung bei Nenndruck Pn und Speisespannung (Jo der Vollbrücken 4 und 5 angibt. Die ausgezogene Linie in Bild 8b stellt die Abhängigkeit für den erfindungsgemäßen Drucksensor dar, während zum Vergleich die Strichlinie die Abhängigkeit für einen herkömmlichen Sensor zeigt, der nur eine Brücke in Bereich der Druckplatte 3 aufweist. Da infolge erfindungsgemäßer Ausführung im Linearitätsfehlerverlauf durch Eigenkompensation im Sjnsor für vorteilhafte Abmessungen der Widerstände der Brücken 4 und S, der Breite und der Dicke der Druckplatte 3 und den Abmessungen des biegesteifen Zentrums 2 ein lokales Minimum im LinearitStsfehlerverlauf auftritt, sind Verringerungen des Linearitätsfehlers im Vergleich zu herkömmlichen Linearitäsfehlern bis zu einer Größenordnung möglich.

Claims (5)

1. Piezoresistiver Drucksensor zur Messung von Drücken innerhalb symmetrischer Nenndruckbereiche-pN...+ρΝ, bestehend aus einer rechteckigen oder quadratischen Druckplatte, die monolithisch aus einem Halbleiterkörper abgedünnt ist und die konzentrisch ein rechteckiges oder quadratisches biegesteifes Zentrum aufweist, und piezoresistiven Längs- und Querwiderständen in oder auf der Druckplatte, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistiven Widerstände zwei Vollbrücken (4,5) bilden, die jeweils zwei Längs- und zwei Querwiderstände aufweisen, wobei die Längs- und Querwiderstände jeweils in den entgegengesetzten Brückendiagonalen der jeweiligen Brücke liegen, daß die sich jeweils entsprechenden Längs- und Querwiderstände der beiden Brücken gleiche geometrische Abmessungen aufweisen, daß die Widerstände beider Brücken im Bereich der Mitte der langen Seiten der Druckplatte (3) liegen, daß die Widerstände der einen Brücke (5) am äußeren Rand der Druckplatte und die Widerstände der anderen Brücke (4) am inneren Rand in der Nähe des biegesteifen Zentrums (2) liegen, daß der Abstand zum äußeren Rand der Widerstände der einen Brücke gleich dem Abstand zum inneren Rand der Widerstände der Brücke am inneren Rand ist und daß die Ausgangsspannung des Drucksensors bei Einwirkung des Meßdruckes auf die Widerstandsseite des Sensors die Ausgangsspannung der Brücke (5) am äußeren Rand der Druckplatte und bei Einwirkung des Meßdruckes auf die entgegengesetzte Seite des Sensors die Ausgangsspannung der Brücke (4) am inneren Rand der Druckplatte ist.

2. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Widerstand beider Brücken auf jeweils einer langen Seite der Druckplatte angeordnet ist.

3. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle acht Widerstände beider Brücken räumlich konzentriert im Bereich der Mitte einer langen Seite der Druckplatte (3) angeordnet sind.

4. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckplatte aus dickeren Bereichen (3 b), in oder auf denen die Widerstände angeordnet sind und dünneren Bereichen (3a) besteht.

5. Piezoresistiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken des rechteckigen oder quadratischen biegesteifen Zentrums (2) verrundet sind.