DE19833712A1 - Druckerfassungsvorrichtung mit Metallmembran - Google Patents
Druckerfassungsvorrichtung mit MetallmembranInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft eine Druckerfassungsvorrich
tung, die zum Erfassen eines hohen Drucks eines Fluids ge
eignet ist, und insbesondere betrifft sie eine Druckerfas
sungsvorrichtung, die einen Piezowiderstandseffekt eines
Einkristallhalbleiters verwendet.
Die JP-B2-7-11461 offenbart eine derartige Druckerfas
sungsvorrichtung, welche eine Metallmembran, die mit einem
Erfassungskörper integral ausgeformt ist, und einen quadra
tischen Sensorchip (Halbleiterchip), der Dehnungs
meßwiderstände hält und der mit der Membran durch eine
Schicht aus Glas verbunden ist, aufweist. In der
Druckerfassungsvorrichtung wird aufgrund einer Differenz
der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem
Halbleiterchip und der Metallmembran eine
Wärmebeanspruchung erzeugt und sie wird auf den Sensorchip
übertragen, so daß ein Erfassungsfehler verursacht wird. Um
einen solchen Erfassungsfehler zu verringern, sind
herkömmlicherweise die folgenden Gegenmaßnahmen
vorgeschlagen worden. D.h. die Metallmembran ist aus einem
Material hergestellt, welches einen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der nahe an dem des
Sensorchips liegt, und die Metallmembran und der Sensorchip
sind dünn hergestellte um das Ansprechverhalten zu verbes
sern, d. h. um den durch die Wärmebeanspruchung erzeugten
Erfassungsfehler relativ zu verringern. Es ist jedoch
schwierig, nur durch die obigen Gegenmaßnahmen den Erfas
sungsfehler ausreichend zu verringern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Druckerfassungsvorrichtung vorzusehen, welche einen Halb
leitersensorchip aufweist, welcher mit einer Metallmembran
verbunden ist und einen hohen Druck mit einem einfachen
Aufbau genau erfassen kann. Eine andere Aufgabe der vorlie
genden Erfindung ist es, eine Druckerfassungsvorrichtung
vorzusehen, die eine nachteilige Wirkung auf einen Erfas
sungsfehler durch eine Wärmebeanspruchung minimieren kann,
die aufgrund einer Differenz der linearen Wärmeausdeh
nungskoeffizienten zwischen einer Metallmembran und einem
Sensorchip erzeugt wird.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4,
9, 20 und 23 gelöst.
Kurz gesagt weist gemäß der vorliegenden Erfindung ein
Einkristallhalbleitersensorchip, der an einer Metallmembran
angeordnet ist, eine Ebenenform auf, welche aus einer
Gruppe ausgewählt wird, die aus einer kreisförmigen Form
besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als 5 Seiten
und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind,
und wobei eine zweite polygonale Form ein Verhältnis eines
Umkreisdurchmessers in Bezug zu einem Inkreisdurchmesser
aufweist, das geringer als 1,2 ist.
Wenn der Sensorchip aus einem Einkristallhalbleiter mit
einer ungefähr (100)-Kristallorientierung hergestellt ist,
kann in diesem Zustand ein Dehnungsmeßwiderstand in Bezug
auf einen Mittelpunkt des Sensorchips auf ersten und
zweiten Achsen, welche durch den Mittelpunkt, parallel zu
<110<-Richtungen des Einkristallhalbleiters verlaufen,
punktsymmetrisch angeordnet sein. Wenn der Sensorchip aus
einem Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (110)-
Kristallorientierung hergestellt ist, ist an einem zentra
len Abschnitt des Sensorchips ein Dehnungsmeßwiderstand von
der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen angeordnet,
während an einem Umfangsabschnitt des Sensorchips ein
anderer Dehnungsmeßwiderstand von der Vielzahl von
Dehnungsmeßwiderständen angeordnet ist. Demgemäß kann eine
nachteilige Wirkung einer Wärmebeanspruchung, die durch
eine Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
verursacht wird, mit einem einfachen Aufbau verringert
werden, was zu einer Verringerung eines Erfassungsfehlers
führt. Zur gleichen Zeit erhöht sich der Grad einer
Widerstandsänderung des Dehnungsmeßwiderstandes, was zu
einem hohen Ansprechverhalten führt.
Statt des Sensorchips kann ein Verbindungsbauteil, das
zwischen dem Sensorchip und der Membran angeordnet ist,
eine ebene Form aufweisen, die aus einer Gruppe ausgewählt
wird, welche aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei
eine erste polygonale Form mehr als 5 Seiten und
Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und
wobei eine zweite polygonale Form ein Verhältnis zwischen
einem Umkreisdurchmesser in Bezug zu einem
Inkreisdurchmesser aufweist, das geringer als 1,2 ist.
Demgemäß können dieselben Wirkungen, wie sie oben
beschrieben sind, vorgesehen werden.
Wenn der aus einem Einkristallhalbleiter hergestellte
Sensorchip eine rechteckige Form mit ersten und zweiten
Seitenabschnitten aufweist, wird anstelle der Festlegung
der Form des Verbindungsbauteiles einer der ersten und
zweiten Seitenabschnitte so festgelegt, daß er mit einer
der Kristallrichtungen, die zueinander senkrecht stehen und
zu einer Oberflächenebene des Sensorchips parallel
angeordnet ist, einen bestimmten Winkel in einem Bereich
von 15° bis 37° einschließt. Insbesondere beträgt der
bestimmte Winkel von dem einen der ersten und zweiten
Seitenabschnitte des Sensorchips mit der einen der
Kristallrichtungen 15° bis 33°. Auf ersten und zweiten
Achsen, die durch den Mittelpunkt parallel zu den
zueinander senkrecht stehenden Kristallrichtungen hindurch
verlaufen, kann eine Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen
angeordnet sein. Demgemäß kann die gleiche Wirkung, wie sie
oben beschrieben ist, vorgesehen werden.
Wenn der den rechteckigen Sensorchip bildende Ein
kristallhalbleiter eine ungefähr (100)-Ebenenorientierung
aufweist, entsprechen die Kristallrichtungen den <110<-
Richtungen des Einkristallhalbleiters. In diesem Fall wird
ein bestimmter Winkel Φ zwischen einer der
Seitenabschnitte des Sensorchips und einer der <110<-
Richtungen durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
Φ = A - BeC (T+t)
worin T eine Dicke der Membran, t eine Dicke des
Verbindungsbauteiles und A, B bzw. C bestimmte Konstanten
darstellen.
Vorzugsweise liegt T in einem Bereich von 100 µm bis
3500 µm, t in einem Bereich von 15 µm bis 150 µm, A in ei
nem Bereich von 40 bis 45, B in einem Bereich von 15 bis 30
und C in einem Bereich von -4×10-4 bis -2×10-4. Demgemäß
kann die Druckerfassungsvorrichtung der vorliegenden Er
findung leicht aufgebaut werden, um den Erfassungsfehler zu
verringern und um ein hohes Ansprechverhalten vorzusehen.
Weitere Einheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht, die teilweise eine
Druckerfassungsvorrichtung in einer ersten bevorzugten Aus
führungsform darstellt;
Fig. 2 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der
Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine Schaltungsdarstellung, die einen Verbin
dungszustand von Dehnungsmeßwiderständen der Drucker
fassungsvorrichtung zeigt;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beanspru
chungsverteilung darstellt, welche an einer Oberfläche des
Sensorchips gemäß einem angelegten Druck in der ersten Aus
führungsform erzeugt wird;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Wärmebean
spruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche des
Sensorchips in der ersten Ausführungsform erzeugt wird;
Fig. 6 eine schematische Ansicht, die die Wärmebean
spruchungsverteilung der Fig. 5 in Verbindung mit dem Sen
sorchip darstellt;
Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Wärmebean
spruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche eines
quadratischen Sensorchips erzeugt wird;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht, die teilweise eine
Druckerfassungsvorrichtung einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform zeigt;
Fig. 9 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der
Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 8 zeigt;
Fig. 10 eine graphische Darstellung, die die Wärme
beanspruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche
des Sensorchips aus Fig. 9 erzeugt wird;
Fig. 11 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in einer
dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, die eine Wärme
beanspruchungsverteilung zeigt, welche an der Oberfläche
des Sensorchips entlang einer x-Achse der Fig. 11 erzeugt
wird;
Fig. 13 eine graphische Darstellung, die eine Wär
mebeanspruchungsverteilung zeigt, welche an der Oberfläche
des Sensorchips entlang einer y-Achse der Fig. 11 erzeugt
wird;
Fig. 14 eine Perspektivansicht, die teilweise eine
Druckerfassungsvorrichtung in einer vierten bevorzugten
Ausführungsform zeigt;
Fig 15 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der
Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 14 zeigt;
Fig. 16 eine Perspektivansicht, die teilweise eine
Druckerfassungsvorrichtung in einer fünften Ausführungsform
zeigt;
Fig. 17 eine Draufsicht, die einen Sensorchip der
Druckerfassungsvorrichtung der Fig. 16 zeigt;
Fig. 18 eine graphische Darstellung, die die
Beanspruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche
des Sensorchips gemäß einem anlegten Druck in der fünften
Ausführungsform erzeugt wird, in welcher ein Glas mit einem
niedrigen Schmelzpunkt, das zwischen dem Sensorchip und ei
ner Membran angeordnet, ist, achteckig ist;
Fig. 19 eine graphische Darstellung, die eine Wär
mebeanspruchungsverteilung darstellt, welche an der Ober
fläche des Sensorchips in der fünften Ausführungsform er
zeugt wird;
Fig. 20 eine graphische Darstellung, die eine
Beanspruchungsverteilung darstellt, welche an der
Oberfläche des Sensorchips gemäß einem angelegten Druck in
einer modifizierten Ausführungsform der fünften Ausfüh
rungsform erzeugt wird, in welcher ein Glas mit einem nied
rigen Schmelzpunkt kreisförmig ist;
Fig. 21 eine graphische Darstellung, die eine Wär
mebeanspruchungsverteilung darstellt, die an der Oberfläche
des Sensorchips in der modifizierten Ausführungsform
erzeugt wird, in welcher das Glas mit niedrigem Schmelz
punkt kreisförmig ist;
Fig. 22 eine graphische Darstellung, die eine Bean
spruchungsverteilung darstellt, welche an der Oberfläche
des Sensorchips gemäß einem angelegten Druck in einer ande
ren modifizierten Ausführungsform der fünften Ausführungs
form erzeugt wird, in welcher das Glas mit niedrigem
Schmelzpunkt sechseckig ist;
Fig. 23 eine graphische Darstellung, die eine Wär
mebeanspruchungsverteilung darstellt, welche an der Ober
fläche des Sensorchips in der modifizierten Ausführungsform
erzeugt wird, in welcher das Glas mit niedrigem Schmelz
punkt sechseckig ist;
Fig. 24 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in einer
sechsten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 25 eine Perspektivansicht, die eine Drucker
fassungsvorrichtung in einer siebten bevorzugten Ausfüh
rungsform zeigt;
Fig. 26 ist eine Draufsicht, die einen Sensorchip der
Druckerfassungsvorrichtung Fig. 25 zeigt;
Fig. 27 bis 29 graphische Darstellungen, die Wärme
beanspruchungsverteilungen zeigen, welche an der Oberfläche
des Sensorchips erzeugt werden, wobei sie von dem Drehwin
kel Θ des Sensorchips von 0°, 22,5°, 45° abhängen;
Fig. 30 eine graphische Darstellung, die ein Verhältnis
zwischen einer Temperatur-Nichtlinearität einer Offset-
Spannung (TNO; temperature nonlinearity of offset voltage)
und einem Drehwinkel Θ zeigt;
Fig. 31 bis 33 graphische Darstellungen, die
Wärmebeanspruchungsverteilungen zeigen, welche an der Ober
fläche des Sensorchips erzeugt werden, wobei sie von einem
Drehwinkel Θ von 33,75°, 37°, 40° abhängen;
Fig. 34 eine Querschnittsansicht, die teilweise eine
Druckerfassungsvorrichtung in einer achten bevorzugten
Ausführungsform zeigt;
Fig. 35 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in der
achten Ausführungsform zeigt;
Fig. 36 bis 38 graphische Darstellungen, die
Wärmebeanspruchungsverteilungen zeigen, welche an der Ober
fläche des Sensorchips in der achten Ausführungsform er
zeugt werden, wobei sie von einem Drehwinkel Θ von 26°,
30°, 34° abhängen;
Fig. 39 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in einer
neunten bevorzugten Ausführungsform zeigt;
Fig. 40 eine Querschnittsansicht, die teilweise eine
Druckerfassungsvorrichtung in einer zehnten bevorzugten
Ausführungsform zeigt;
Fig. 41 eine Draufsicht, die einen Sensorchip in der
zehnten Ausführungsform zeigt;
Fig. 42 eine graphische Darstellung, die Verhältnisse
zwischen einem optimalen Drehwinkel Φ des Sensorchips und
einer Dicke (T+t) zeigt, in der T eine Dicke einer Membran
und t eine Dicke eines Glases mit niedrigem Schmelzpunkt
darstellt; und
Fig. 43 eine graphische Darstellung, die Verhältnisse
zwischen einer Temperatur-Nichtlinearität einer Offset
spannung (TNO) und einem Drehwinkel Θ des Sensorchips
darstellt.
In bezug auf die Fig. 1 bis 7 wird eine erste Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung unterhalb erklärt.
In den Fig. 1 und 2, ist ein metallischer
Erfassungskörper 1 in einer zylindrischen, mit Boden
versehenen Form ausgeformt, wobei er an einem unterem
Endabschnitt einen Druckaufnahmeanschluß 1a und an einem
oberen Endabschnitt, d. h., an einem Bodenabschnitt davon,
eine Metallmembran 1b zum Aufnehmen eines Druckes aufweist.
Die Membran 1b weist eine Dicke auf, die dem zu erfassenden
Druck entspricht.
Ein plattenähnlicher Sensorchip 2, der aus einem
Einkristallsilizium (einem Einkristallhalbleiter) mit einer
ungefähr (100)-Ebenenorientierung hergestellt ist, ist mit
der oberen Fläche der Membran 1b verbunden, wobei ein Glas
mit einem niedrigen Schmelzpunkt, ein Klebemittel oder
ähnliches (das nicht gezeigt ist) verwendet wird, was als
ein Verbindungsbauteil dient. Es ist anzumerken, daß das
Einkristallsilizium mit der ungefähr (100)-Ebenen
orientierung ein Einkristallsilizium aufweist, das eine
Oberflächenebene aufweist, die höchstens um einige Grad von
der (100)-Ebene geneigt ist. Der Sensorchip 2 ist mit der
Membran 1b an seiner gesamten Rückfläche verbunden.
Der Sensorchip 2 weist als eine Ebenenform ein
gleichmäßiges Achteck auf und die Dicke und die Abmessung
zwischen den gegenüberliegenden Seiten des gleichmäßigen
Achtecks betragen zum Beispiel ungefähr 0,2 mm und 3,5 mm.
An der Oberfläche des Sensorchips 2 sind durch ein
bekanntes Diffusionsverfahren vier Dehnungsmeßwiderstände
3a, 3b, 3c, 3d ausgeformt und sie sind derartig miteinander
verbunden, daß sie, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine
Wheatstone'sche Brückenschaltung ausformen, um ein Signal
auszugeben. Jeder der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d ist
in einer rechteckigen Form dargestellt, von der eine
Änderung eines Widerstandswertes in einer Längsrichtung als
ein Sensorausgangssignal ausgegeben wird. Die Form von
jedem der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d ist jedoch nicht
auf eine solche rechteckige Form eingeschränkt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist das den Sensorchip 2
bildende Einkristallsilizium zwei <110<-Richtungen auf, die
zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des
Sensorchips 2 parallel verlaufen. Die Klammern << werden
verwendet, um kristallographisch äquivalente Richtungen
(Kristallrichtungen) zu kennzeichnen, wie z. B. [110],
[011], [101], in welchen die eckigen Klammern [] verwendet
werden, um eine bestimmte Richtung anzuzeigen. Die runden
Klammern () werden verwendet, um eine bestimmte Ebene zu
kennzeichnen.
In der vorliegenden Erfindung werden Achsen, die zu den
<110<-Richtungen parallel und durch den Mittelpunkt O des
Sensorchips 2 verlaufen, im folgenden jeweils als x-, y-
Achsen bezeichnet. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d
sind auf den x-, y-Achsen derartig angeordnet, daß
Positionen, wo die Widerstände 3a bis 3d angeordnet sind,
in Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 2
punktsymmetrisch sind. Insbesondere sind die
Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d auf der x-Achse derartig
angeordnet, daß sie zu der x-Achse parallel und von dem
Mittelpunkt O gleichweit entfernt getrennt angeordnet sind.
Die Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c sind auf der y-Achse
derartig angeordnet, daß sie zu der y-Achse senkrecht und
von dem Mittelpunkt O gleichweit entfernt getrennt angeord
net sind. Jede der x-, y-Achsen (<110<-Richtungen) kreuzt
die entsprechenden zwei Seiten des Sensorchips in ungefähr
rechten Winkeln.
Für den Erfassungskörper 1 ist es wünschenswert, aus
einem Metall hergestellt zu werden, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient eine Differenz von der des
Einkristallsiliziums als den Sensorchip 2 so gering wie
möglich vorsieht. Für den Erfassungskörper 1 kann zum
Beispiel Covar (30% Ni - 20% Co - Fe) verwendet werden. Der
Durchmesser des Druckaufnahmeanschlusses 1a beträgt
ungefähr 2,5 mm und die Dicke der Membran 1b beträgt
ungefähr 0,65 mm. Demgemäß kann ein Druck in einem Bereich
von ungefähr 10 MPa bis 20 MPa erfaßt werden.
In der oben beschriebenen Anordnung wird der zu
erfassende Druck an die Oberfläche der Membran 1b an der
Druckaufnahmeanschlußseite angelegt, während an der anderen
Oberfläche der Membran 1b an der gegenüberliegenden Seite
des Druckaufnahmeanschlusses 1a ein konstanter Referenz
druck (wie zum Beispiel ein atmosphärischer Druck) angelegt
wird. Demgemäß krümmen sich die Membran 1b und der Sen
sorchip 2 aufgrund einer Differenz zwischen den angelegten
Drücken gemeinsam. Die Krümmung des Sensorchips 2 wird von
der Spannungsverformung bzw. Dehnungsverformung seines
Oberflächeabschnittes begleitet, die Änderungen der
Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d
verursacht. Demgemäß wird in einem Zustand, wo zwischen den
Eingabeanschlüssen Ia und Ib der in Fig. 3 gezeigten
Weatstone'schen Brückenschaltung eine konstante
Gleichstromspannung V angelegt wird, ein Signal mit einem
Ausgabespannungsniveau Vaus, das dem zu erfassenden Druck
entspricht, von den Ausgabeanschlüssen Pa und Pb
ausgegeben.
Als nächstes werden unterhalb ein Verhältnis zwischen
dem oben beschriebenen Ausgabespannungsniveau Vaus und den
Positionen der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d und
Wärmebeanspruchungscharakteristiken, die aufgrund einer
Differenz eines linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwi
schen dem Erfassungskörper 1 und dem Sensorchip 2 erzeugt
werden, beschrieben. Als erstes wird das Verhältnis zwi
schen dem Ausgabespannungsniveau Vaus und den Positionen
der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d in Betracht gezogen.
Fig. 4 zeigt ein Ergebnis einer
Beanspruchungsverteilung, die an der Oberfläche des
Sensorchips 2 durch Anlegen des Druckes erzeugt wird, wobei
sie durch die Finite-Elemente-Methode (FEM) analysiert
wurde. Konkret heißt das, es wurden Beanspruchungen an
einer Vielzahl von Punkten, die von dem Mittelpunkt O
unterschiedliche Abstände aufweisen und einer nach dem
anderen entlang der x-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 2
liegt, analysiert und sie sind in Fig. 4 in einem zerlegten
bzw. aufgespalteten Zustand dargestellt, d. h., jede der
Beanspruchungen ist in eine Beanspruchung σxx als eine x-
Achsrichtungskomponente und eine Beanspruchung σyy als eine
y-Achsrichtungskomponente zerlegt.
Der Piezowiderstandseffekt an der (100)-Ebene des
Einkristallsiliziums wird durch die beiden Beanspruchungen
σxx und σyy beeinflußt und ein Verhältnis der
Widerstandswertänderung ΔR/R von jedem der Dehnungs
meßwiderstände 3a, 3d, die auf der x-Achse angeordnet sind,
wird durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt:
ΔR/R = (π44/2)(σxx - σyy) (1)
worin R ein Anfangswert des Widerstandes von jedem
Meßwiderstand ist, ΔR ein ansteigender Widerstandswert ist,
π44 ein Piezowiderstandskoeffizient und σxx bzw. σyy
Durchschnittsbeanspruchungen darstellen.
Ein Verhältnis der Widerstandswertänderung ΔR'/R von
jedem der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c, die auf der y-
Achse angeordnet sind, wird hinsichtlich einer
Symmetrieeigenschaft um eine kristallographische Achse
herum durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt:
ΔR'/R = (π44/2)(σxx' - σyy') (2)
worin ΔR' ein ansteigender Widerstandswert von jedem
Meßwiderstand ist und σxx' und σyy' eine Durchschnittsbean
spruchung in die x-Achsrichtung bzw. eine
Durchschnittsbeanspruchung in die y-Achsrichtung an den
Punkten entlang der y-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 2
darstellen.
Weil die jeweiligen Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d in
Bezug auf den Mittelpunkt O des Sensorchips 2 zudem
punktsymmetrisch angeordnet sind, existieren die
Verhältnisse der folgenden Gleichungen (3):
σxx = σyy', σyy = σxx' (3).
Wenn hier der zu erfassende Druck von der unteren Seite
an die Membran angelegt wird, verringern sich die
Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d und es
erhöhen sich die Widerstandswerte der Dehnungsmeßwider
stände 3b, 3c. Weil die Gleichungen (3) aufgrund der symme
trischen Anordnung der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d
weiter gültig ist, werden in diesem Zustand die
ansteigenden Verhältnisse der Widerstandswerte der
Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c, die aus der Gleichung (2)
erzielt werden, gleich den sinkenden Verhältnissen des
Widerstandswertes der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d, die
aus der Gleichung (1) erzielt werden.
Wenn die Wheatstone'sche Brückenschaltung durch die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3b gebildet wird, wie in Fig.
3 gezeigt ist, wird das Ausgabespannungsniveau Vaus, das von
den Ausgabeanschlüssen Pa und Pb ausgegeben wird, durch die
folgende Gleichung (4) bestimmt:
Vaus = [(RbRc - RaRd)/{(Ra + Rb)(Rc + Rd)}] V (4)
worin Ra, Rb, Rc, Rd Widerstandswerte der
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3b sind und die folgenden
Beziehungen aufweisen:
Ra = Rd = R + ΔR
Rb = Rc = R + ΔR'.
Rb = Rc = R + ΔR'.
In der Gleichung (4) sind die Verhältnisse zwischen R,
ΔR und ΔR' R»ΔR und R»ΔR'. Auf der Grundlage dieser Ver
hältnisse und der Gleichungen (1)-(3) kann die Gleichung
(4) in die folgende Gleichung (5) umgeformt werden:
Vaus = (π44/2)(σyy - σxx) V (5).
Aus der Gleichung (5) ist ersichtlich, daß das den zu
erfassenden Druck darstellende Ausgabespannungsniveau Vaus
zu der Differenz zwischen den auf die jeweiligen
Dehnmeßwiderstände 3a bis 3d wirkenden Beanspruchungen in
die x-Achsrichtung und in die y-Achsrichtung proportional
ist. D.h., wie aus Fig. 4 und der Gleichung (5) ersichtlich
ist, daß das Ausgabespannnungsniveau Vaus erhöht wird, um
das Ansprechverhalten zu verbessern, wobei die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen soweit wie
möglich von dem Mittelpunkt O entfernt ausgeformt sind.
Als nächstes wird die Wärmebeanspruchung, die aufgrund
einer Differenz des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Erfassungskörper 1 und dem Sensorchip 2 er
zeugt wird, beschrieben. Die Wärmebeanspruchung kann einen
Erfassungsfehler verursachen. Es ist daher wünschenswert,
daß die Wärmebeanspruchung soweit wie möglich verringert
wird.
Fig. 5 zeigt die Wärmebeanspruchungsverteilung an der
Oberfläche des Sensorchips 2 in einem Zustand, wo der
Druckerfassungsvorrichtung eine bestimmte Temperaturdif
ferenz (z. B. 95°C) vorgegeben ist und wo an die Membran 1b
kein Druck angelegt wurde. Die Wärmebean
spruchungsverteilung wurde durch die FEM analysiert. In
Fig. 5 sind die Wärmebeanspruchungen die an einer Vielzahl
von Punkten analysiert worden sind, welche unterschiedliche
Abstände von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 2 definieren
und jeder entlang der x-Achse (<110<-Richtung) in Fig. 2
angeordnet ist, mit zerlegten Beanspruchungen σxx in die x-
Achsrichtung und mit zerlegten Beanspruchungen σyy in die
y-Achsrichtung an jeweiligen Punkten angezeigt. Fig. 6
zeigt schematisch das obige analytische Ergebnis in
Verbindung mit dem Sensorchip 2.
Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß, wenn die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen
angeordnet sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O un
gefähr 1 mm oder weniger oder vorzugsweise ungefähr 0,8 mm
oder weniger betragen, die Differenz zwischen den
Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen,
wo die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d angeordnet sind,
fast 0 ist, was zu einer bedeutenden Verringerung des
Erfassungsfehlers führt.
Als nächstes ist als Modell anstelle des gleichmäßigen,
achteckigen Sensorchips 2 ein quadratischer Sensorchip, der
die gleichen Dehnungsmeßwiderstände aufweist und aus dem
gleichen Einkristallsilizium hergestellt ist, wie der
Sensorchip 2, mit der Membran 1b verbunden und es wurde
eine Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des
quadratischen Sensorchips auf die gleiche Art und Weise,
wie es oben beschrieben ist, analysiert. Das Ergebnis ist
in Fig. 7 gezeigt. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß die
Wärmebeanspruchung nicht fast 0 sein kann, es sei denn daß
die Dehnungsmeßwiderstände an Positionen angeordnet sind,
wo die Abstände von dem Mittelpunkt O des Chips ungefähr
0,5 mm oder weniger und vorzugsweise ungefähr 0,25 mm oder
weniger betragen. D.h., die Wärmebeanspruchung kann nicht
fast 0 sein, es sei denn, daß die Dehnungsmeßwiderstände an
Positionen angeordnet sind, die im Vergleich zu dem Fall
des achteckigen Sensorchips 2 relativ nahe an dem
Mittelpunkt O des Chips angeordnet sind.
In dem den quadratischen Sensorchip verwendenden Modell
tritt jedoch, wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an
Positionen in der Nähe des Mittelpunktes angeordnet sind,
ein Problem auf, daß, wenn der zu erfassende Druck angelegt
wird, die Differenz zwischen den Beanspruchungen in die x-
Achsrichtung und in die y-Achsrichtung, die auf jeden der
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d wirken, gering wird, so daß
die erfaßte Ausgabespannung gering wird. Wenn der
quadratische Sensorchip verwendet wird, um das
Ansprechverhalten zu verbessern, erhöht sich daher der
Erfassungsfehler um einen bestimmten Grad. Um andererseits
den Erfassungsfehler zu verringern, verringert sich das
Ansprechverhalten.
Wenn im Gegensatz dazu der Sensorchip 2 mit der
gleichmäßigen achteckigen Form verwendet wird, wie in der
gegenwärtigen Ausführungsform, wie in Fig. 4 gezeigt ist,
wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den
Positionen, wo die Differenz zwischen den Wärmebean
spruchungen in die x-Achs- und die y-Achsrichtungen beinahe
0 ist, insbesondere an den Positionen, wo die Abstände von
dem Mittelpunkt O ungefähr 0,8 mm oder weniger betragen,
angeordnet sind, ist die Differenz zwischen den
Beanspruchungen σxx und σyy in die x-Achs- und y-
Achsrichtungen, die auf jeden der Dehnungsmeßwiderstände 3a
bis 3d wirken, groß. Als Ergebnis kann das
Ausgabespannungsniveau Vaus erhöht werden. D.h., gemäß der
vorliegenden Ausführungsform kann das Ansprechverhalten
verbessert werden, während der Erfassungsfehler durch die
Wirkung der Form des Sensorchips 2, die als eine Ebenenform
ein gleichmäßiges Achteck aufweist, beträchtlich verringert
wird.
In dem Fall, wo der Sensorchip aus dem Einkristallsili
zium mit der ungefähr (100)-Ebenenorientierung hergestellt
ist, wie in der vorliegenden Ausführungsform, sind zudem
die die Wheatston'sche Brückenschaltung bildenden
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d in Bezug auf den
Mittelpunkt O des Sensorchips 2 punktsymmetrisch angeord
net. In einer derartigen Anordnung, wie oben beschrieben
ist, werden, wenn der Druck an die Membran 1b angelegt
wird, die ansteigenden Widerstandswerte der
Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c gleich den sinkenden
Widerstandswerten der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d. Als
Ergebnis wird die Linearität der Ausgabespannung in Bezug
auf den zu erfassenden Druck ausreichend.
Wenn die Ebenenform des Sensorchips 2 ein
gleichmäßiges Achteck ist, wird auch das Layout des
Sensorchips 2 an dem Halbleiter-Wafer vereinfacht und es
wird vergeudeter Raum bzw. Leerraum verringert. Daher wird
ein Verfahren zum Herausschneiden der Sensorchips aus dem
Halbleiterwafer vereinfacht und die Ausbeute der
Sensorchips wird verbessert.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform wird
unterhalb erklärt, wobei speziell auf einen Aspekt
eingegangen wird, in dem sie sich von der ersten
Ausführungsform unterscheidet. In den folgenden unterhalb
beschriebenen Ausführungsformen werden die gleichen
Abschnitte wie in der ersten Ausführungsform mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es wird auf die Fig. 8 und 9 Bezug genommen. In der
zweiten Ausführungsform ist mit der obere Fläche der
Membran 1b des Erfassungskörpers 1 durch ein Glas mit nied
rigem Schmelzpunkt, durch ein Klebemittel oder ähnlichem
ein kreisförmiger Sensorchip 4 verbunden. Der Sensorchip 4
ist aus einem Einkristallsilizium mit einer ungefähr (100)-
Ebenenorientierung hergestellt und weist eine Dicke von zum
Beispiel ungefähr 0,2 mm und einen Durchmesser von zum
Beispiel ungefähr 3,5 mm auf. An der Oberfläche des
Sensorchips 4 sind vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c,
3d angeordnet.
Das Einkristallsilizium des Sensorchips 4 weist <110<-
Richtungen auf, die zueinander senkrecht stehen und zu der
Oberflächenebene des Sensorchips 4 parallel angeordnet
sind. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d wie in der ersten
Ausführungsform in Bezug auf den Mittelpunkt O des
Sensorchips 4 an den x-, y-Achsen die sich in die <110<-
Richtungen erstrecken, welche zueinander senkrecht stehen,
wobei sie durch den Mittelpunkt O verlaufen,
punktsymmetrisch angeordnet.
Die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des
Sensorchips 4 wurde durch die Finite-Elemente-Methode in
einem Zustand analysiert, wo der Druckerfassungs
vorrichtung, die den kreisförmigen Sensorchip 4 aufweist
eine bestimmte Temperaturdifferenz (zum Beispiel 95°C)
vorgegeben worden ist und an die Membran 1b kein Druck
angelegt worden ist. Das Ergebnis ist in Fig. 10 gezeigt.
Fig. 10 ähnelt stark der Fig. 5 in der ersten
Ausführungsform, wenn sie miteinander verglichen werden.
Sogar dann, wenn der kreisförmige Sensorchip 4 verwendet
wird, kann, wie in der ersten Ausführungsform, das
Ansprechverhalten verbessert werden, während der
Erfassungsfehler verringert wird, und die Linearität der
Ausgabespannung im Bezug auf den zu erfassenden Druck wird
ausreichend.
Die Fig. 11 bis 13 zeigen eine dritte bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dritte Aus
führungsform wird unterhalb erklärt, wobei auf einen Teil
besonders eingegangen wird, der sich von der ersten Ausfüh
rungsform unterscheidet.
Es wird auf Fig. 11 Bezug genommen. In der dritten Aus
führungsform ist ein Sensorchip 5 mit einer gleichmäßigen
sechseckigen Form mit der obere Fläche der Membran 1b des
Erfassungskörper 1 unter Verwendung eines Glases mit nied
rigem Schmelzpunkt, eines Klebemittels oder ähnlichem
verbunden. Der Sensorchip 5 ist aus einem Ein
kristallsilizium hergestellt, dessen Ebenen-Orientierung
fast (100) ist und er weist eine Dicke von zum Beispiel
ungefähr 0,2 mm und eine Abmessung zwischen
gegenüberliegenden Seiten von zum Beispiel ungefähr 3,5 mm
auf. In diesem Fall beträgt eine Länge einer Diagonalen
ungefähr 4 mm. An der Oberfläche des Sensorchips 5 sind
vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c, 3d ausgeformt.
In diesem Fall wird in dem Sensorchip 5 eine der <110<-
Richtungen (x-Achse) des Einkristallsiliziums so festge
legt, daß sie zu einer bestimmten Diagonalen des Sen
sorchips 5 parallel ist, während die andere der <110<-Rich
tungen (y-Achse) des Einkristallsiliziums so festgelegt
wird, daß sie auf bestimmten gegenüberliegenden Seiten des
Sensorschips 5 senkrecht steht. Die Dehnungsmeßwiderstände
3a, 3d sind auf der x-Achse angeordnet und die
Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c sind auf der y-Achse ange
ordnet.
Fig. 12 zeigt eine Wärmebeanspruchungsverteilung an
einer Vielzahl von Punkten auf der x-Achse (<110<-Richtung)
in Fig. 11 an der Oberfläche des Sensorchips 5 und Fig. 13
zeigt eine Wärmebeanspruchungsverteilung an einer Vielzahl
von Punkten auf der y-Achse in Fig. 11 an der Oberfläche
des Sensorchips 5. Die Wärmebeanspruchungsverteilungen
wurden durch die Finite-Elemente-Methode in dem Zustand
analysiert, wo der Druckerfassungsvorrichtung, die einen
gleichmäßigen sechseckigen Sensorchip 5 aufweist, eine
bestimmte Temperaturdifferenz (zum Beispiel 95°C)
vorgegebene worden ist und kein Druck angelegt worden ist.
In den Fig. 12 und 13 sind Wärmebeanspru
chungsverteilungen in einem zerlegten Zustand gezeigt,
d. h., jede der Beanspruchungen ist an jedem Punkt in eine
Beanspruchung σxx, σxx' in die x-Achsrichtung und in eine
Beanspruchung σyy, σyy' in die y-Achsrichtung aufgeteilt.
Aus den Fig. 12 und 13 ist zu sehen, daß, wenn die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen angeordnet
sind, die Abstände von dem Mittelpunkt O aufweisen, welche
ungefähr 0.9 mm oder weniger und vorzugsweise ungefähr 0,7
mm oder weniger betragen, aufweisen, die Differenz zwischen
den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achs
richtungen ungefähr Null wird und der Erfassungsfehler ver
ringert wird. Demgemäß sieht auch die dritte Ausführungs
form im wesentlichen die gleichen Wirkungen vor, wie die
erste Ausführungsform.
Als ein Ergebnis der Analysen durch die Finite-
Elemente-Methode, die in den obigen Ausführungsformen be
schrieben ist, wird, wenn die Ebenenform des Sensorchips
fast einem Kreis entspricht, die Wärmebeanspruchung
verringert, obwohl eine gewisse Differenz vorhanden ist.
Wenn angenommen wird, das die Ebenenform des Sensorchips
hier ein Polygon ist, ist es denkbar, als ein Kriterium zum
Beurteilen des Polygons dahingehend, wie nahe es einem
Kreis kommt, einen Umkreisdurchmesser des Polygons mit
einem Inkreisdurchmesser des Polygons zu vergleichen. D.h.,
wenn ein Wert des Umkreisdurchmessers im Bezug auf den
Inkreisdurchmesser δ beträgt, ist δ eines Polygons, das
einem wirklichen Kreis unendlich nahe kommt, beinahe 1. Ein
gleichmäßiges Achteck weist ein δ auf, das ungefähr 1,082
beträgt, und eine quadratische Form weist ein 6 auf, das
ungefähr 1,414 beträgt.
Als ein Ergebnis der Studie, wie nahe das Polygon an
der Kreisform sein sollte, um die Differenz der
Wärmebeanspruchung zu verringern, ist herausgefunden
worden, daß ein Polygon mit einem δ kleiner als 1,2 die
Differenz der Wärmebeanspruchung auf wünschenswerte Weise
verringern kann. In der Praxis kann die Differenz der
Wärmebeanspruchung wünschenswert verringert werden, wenn
der Sensorchip eine sechseckige Form, wie in der dritten
Ausführungsform, oder eine andere Form aufweist, die dem
Kreis nahe kommt, wie die sechseckige Form. Demgemäß kann
die nachteilige Wirkung der Wärmebeanspruchung, die durch
die Differenz des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen der Metallmembran und dem Sensorchip verursacht
wird, minimiert werden, so daß der Erfassungsfehler
verringert wird, wobei nur die Ebenenform des Sensorchips
verändert wird, während ein hohes Ansprechverhalten
beibehalten wird.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der
Sensorchip aus einem Einkristallsilizium mit einer (100)-
Ebenenorientierung hergestellt. Der Sensorchip kann jedoch
aus einem Einkristallsilizium mit einer (110)-Ebenenorien
tierung hergestellt sein, vorausgesetzt, daß es eine
Aufgabe ist, den Erfassungsfehler durch die Wirkung der
Form des Sensorchips zu verringern.
Die Fig. 14 und 15 zeigen eine vierte bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein
derartiger Aufbau verwendet wird. D.h., wenn ein Sensorchip
2a auf einem Einkristallsilizium mit einer (110)-
Ebenenorientierung hergestellt ist, ist es notwendig, daß
die Anordnung der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an dem
Sensorchip 2a von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten in
die in den Fig. 14 und 15 gezeigten geändert wird. Die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d bilden auch die in Fig. 3
gezeigte Wheatstone'sche Brückenschaltung, wie in der
ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Wenn die Ebenen-Orientierung des Sensorchips 2a (110)
ist, wie oben beschrieben ist und wie in Fig. 15 gezeigt
ist, weist das Einkristallsilizium eine <100<-Richtung und
eine <110<-Richtung auf, die zueinander senkrecht stehen
und zu der Oberflächenebene des Einkristallsilizium
parallel angeordnet sind. Eine Achse, die zu der <110<-
Richtung parallel angeordnet ist und durch den Mittelpunkt
O des Sensorchips a verläuft, wird als eine x-Achse
bezeichnet, und eine Achse, die zu der <100<-Richtung
parallel und durch den Mittelpunkt O verläuft, wird als
eine y-Achse bezeichnet. In diesem Fall ist ein Paar von
Dehnungsmeßwiderständen 3b, 3c, die an den gegenüberlie
genden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung
angeordnet sind, an dem zentralen Abschnitt des Sensorchips
2a entlang der y-Achse angeordnet, und ein Paar von
Dehnungsmeßwiderständen 3a, 3d, die an den anderen
gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen
Brückenschaltung angeordnet sind, an Umfangsabschnitten des
Sensorchips 2a entlang der x-Achse angeordnet.
Weil zu diesem Zeitpunkt nur eine Beanspruchung σxx in
die x-Achsrichtung in dem Piezowiderstandseffekt vorhanden
ist, wird die oben beschriebene Gleichung (5) in die
folgende Gleichung (6) umgeformt:
Vaus =(π44/4)(σxxc - σxxs) V (6)
worin σxxc eine Beanspruchung in die x-Achsrichtung der
Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c und σxxs eine Beanspruchung
in die x-Achsrichtung der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d
ist. Diese Werte sind größtenteils aus der oben
beschriebenen Charakteristikabbildung (Fig. 4) bekannt.
Gemäß der durch den Erfinder der vorliegenden Erfindung
durchgeführten Analyse unter Verwendung der Finite-
Elemente-Methode weist die Beanspruchungsverteilung in der
x-Achsrichtung von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 2a
beinahe die gleiche Neigung auf, wie die in Fig. 4
gezeigte, wenn an den Sensorchip 2a ein Druck angelegt
wird. D.h., die Beanspruchung σxx in die x-Achsrichtung
sieht eine relativ große Differenz zwischen dem zentralen
Abschnitt des Sensorchips 2a, wo die Dehnungsmeßwiderstände
3b, 3c angeordnet sind, und dem Umfangsabschnitt, wo die
Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b angeordnet sind, vor.
Dementsprechend wird eine Differenz zwischen dem Grad einer
Widerstandsänderung der Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c und
dem der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d groß und das
Ausgabespannungsniveau Vaus der Wheatstone'schen
Brückenschaltung wird hoch, wie es auch aus der Gleichung
(6) ersichtlich ist.
Gemäß der Analyse durch die Finite-Elemente-Methode
weist die Wärmebeanspruchungsverteilung in die x-
Achsrichtung von dem Mittelpunkt O des Sensorchips 2a bei
nahe die gleiche Neigung auf, wie die in Fig. 5 gezeigte.
D.h., daß sich die Wärmebeanspruchung σxx in die x-
Achsrichtung in einem Abstandsbereich von 0 mm bis ungefähr
8 mm von dem Mittelpunkt des Sensorchips 2 stark und in
einem Abstandsbereich von 0,8 mm bis 1 mm geringfügig
ändert. Es ist daher zu bevorzugen, daß die
Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c an dem zentralen Abschnitt
des Sensorchips 2a angeordnet sind und daß die
Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d an den Abschnitten angeordnet
sind, die von dem Mittelpunkt O etwa 1 mm oder weniger und
vorzugsweise etwa 0,8 mm oder weniger entfernt liegen.
Demgemäß kann die Differenz zwischen der
Wärmebeanspruchung, die an die Dehnungsmeßwiderstände 3b,
3c angelegt wird, und der Wärmebeanspruchung, die an die
Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d angelegt wird, beinahe 0
sein. Folglich wird das Ausgabespannungsniveau Vaus, das
eine geringe Wärmebeanspruchungs-Offsetspannung aufweist,
aus der Wheatstone'schen Brückenschaltung erzielt und es
kann dadurch das Ansprechverhalten mit einem geringen
Erfassungsfehler verbessert werden.
Die Fig. 16 bis 19 zeigen eine fünfte Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung und es werden unterhalb nur
Aspekte beschrieben, die zu der ersten Ausführungsform un
terschiedlich sind.
Es wird auf die Fig. 16 und 17 Bezug genommen. Mit
der oberen Fläche der Metallmembran 1b, die an dem oberen
Abschnitt des metallischen Erfassungskörpers 1 aus geformt
ist, ist ein rechteckiger, plattenförmiger Sensorchip 6,
der aus einem Einkristallsilizium (einem
Einkristallhalbleiter) hergestellt ist, dessen
Ebenenorientierung ungefähr (100) beträgt, durch ein Glas
mit einem niedrigen Schmelzpunkt als ein Klebemittel
verbunden (siehe Fig. 17). Es ist anzumerken, daß die Größe
von jedem Abschnitt des Erfassungskörpers 1 die gleiche
ist, wie die in der ersten Ausführungsform.
Insbesondere ist der Sensorchip 6 in einer quadrati
schen Form (mit zum Beispiel ungefähr 3,5 mm2 mit einer
Dicke von ungefähr 0,2 mm) ausgeformt. Das den Sensorchip 6
bildende Einkristallsilizium weist <110<-Richtungen auf,
die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene
parallel angeordnet sind, wie in der ersten
Ausführungsform. Jede der <110<-Richtungen ist zu zwei
Seiten .des Sensorchips parallel und stehen auf zwei anderen
Seiten des Sensorchips 6 senkrecht. Zudem sind, wie in der
ersten Ausführungsform, an der Oberfläche des Sensorchips 6
vier Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3b, 3c, 3d ausgeformt, die
die Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden (siehe Fig. 3),
um ein Signal auszugeben. Die jeweiligen vier Dehnungsmeß
widerstände 3a bis 3d sind in Bezug auf den Mittelpunkt O
des Sensorchips 6 auf x-, y-Achsen punktsymmetrisch
angeordnet. Die x-Achse ist zu einer der <110<-Richtungen
parallel angeordnet und verläuft durch den Mittelpunkt O,
und die y-Achse ist zu der anderen der <110<-Richtungen
parallel angeordnet und verläuft durch den Mittelpunkt O
des Chips.
Wie in Fig. 17 gezeigt ist, ist zudem das Glas 7 mit
niedrigem Schmelzpunkt derart ausgeformt, daß es eine Ebe
nenform aufweist, die ein gleichmäßiges Achteck mit vier
Seiten ist, welche sich jeweils entlang der vier Seiten des
Sensorchips 6 erstrecken (während sie diese überlappen).
Demgemäß weist das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt zwei
Seiten, die zu der x-Achse senkrecht stehen, und zwei
Seiten, die zu der y-Achse senkrecht stehen, auf. Der
Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Glases 7
mit niedrigem Schmelzpunkt beträgt ungefähr 3,5 mm, wobei
er dem des Sensorchips 6 entspricht.
Es ist die Beanspruchungsverteilung an der Oberfläche
des Sensorchips 6 durch die Finite-Elemente-Methode analy
siert worden, wenn an den Sensorchip 6 ein Druck angelegt
worden ist. Das Ergebnis ist in Fig. 18 gezeigt, in der
Beanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten entlang der
x-Achse in Fig. 17 als Beanspruchungen σxx in die x-
Achsrichtung und als Beanspruchungen σyy in die y-
Achsrichtung angezeigt sind. Wenn Fig. 18 mit Fig. 4
verglichen wird, die das gleiche analytische Ergebnis in
der ersten Ausführungsform zeigt, ist ersichtlich, daß die
Fig. 4 und 18 sehr ähnliche Verläufe bzw. Profile
aufweisen. Wie aus Fig. 18 und der oben beschriebenen
Gleichung (5) ersichtlich ist, ist es wünschenswert, daß
die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an Positionen
angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt O des Sensorchips
6 so weit wie möglich entfernt liegen. Demgemäß wird das
Ausgabespannungsniveau Vaus erhöht, so daß sich das
Ansprechverhalten verbessert.
Als nächstes ist in der vorliegenden Ausführungsform
die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des
Sensorchips 6 durch die Finite-Elemente-Methode in dem
Zustand analysiert worden, wo der
Druckerfassungsvorrichtung, in der der quadratische
Sensorchip 6 mit der Membran 1b durch das gleichmäßige
achteckige Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt verbunden
worden ist, eine bestimmte Temperaturdifferenz (z. B. 95°C)
vorgegeben worden ist und an den Sensorchip kein Druck
angelegt worden ist. Das Ergebnis ist in Fig. 19 gezeigt,
in der Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten
entlang der x-Achse in Fig. 17 als Beanspruchungen σxx in
die x-Achsrichtung und als Beanspruchungen σyy in die y-
Achsrichtung gezeigt sind. Wenn Fig. 19 mit Fig. 5
verglichen wird, die ein ähnliches analytisches Ergebnis
in der ersten Ausführungsform zeigt, weisen sie ähnliche
Verläufe bzw. Profile auf.
Aus den Fig. 17 und 19 ist demgemäß zu sehen, daß,
wenn die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen
angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt O ungefähr 1 mm
oder weniger und vorzugsweise 0,8 mm oder weniger entfernt
liegen, die Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in
die x-Achs- und y-Achsrichtungen an der jeweiligen Position
fast Null wird. Als Ergebnis kann der Erfassungsfehler
deutlich sichtbar verringert werden.
D.h., sogar wenn der Sensorchip 6 eine quadratische
Form aufweist und wenn das Glas 7 mit niedrigem
Schmelzpunkt, das den Sensorchip 6 an der Membran 1b fest
anordnet, eine achteckige Form aufweist, können die
gleichen Wirkungen wie in der ersten Ausführungsform
vorgesehen werden, in der der Sensorchip 2 eine
gleichmäßige achteckige Form aufweist. Die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d sind an dem Einkri
stallsilizium angeordnet, das eine (100)-Ebenenorientierung
aufweist, wobei sie in Bezug auf den Mittelpunkt O
punktsymmetrisch sind, wie in der ersten Ausführungsform,
und wenn der Druck an der Membran 1b angelegt wird, werden
die ansteigenden Widerstandswerte der
Dehnungsmeßwiderstände 3b, 3c gleich den sinkenden
Widerstandswerten der Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d. Als
Ergebnis wird die Linearität einer Ausgangsspannung in
Bezug auf den zu erfassenden Druck verbessert.
Umso mehr, weil der Sensorchip eine quadratische Form
aufweist, ist das Layout der Sensorchips 6 an einem
Halbleiterwafer vereinfacht und die Sensorchips 6 können
durch ein Waferschneideverfahren des Wafers leicht in je
weilige Teile bzw. Stücke geteilt werden und ungenützter
Raum bzw. Leerraum wird verringert, was zu einer Erhöhung
der Produktivität und der Ausbeute der Sensorchips 6 führt.
Als nächstes ist als eine modifizierte Ausführungsform
der fünften Ausführungsform das Glas 7 mit niedrigem
Schmelzpunkt so ausgeformt worden, daß es eine kreisförmige
Form mit einem Durchmesser von ungefähr 3,5 mm in einem
Ebenenverteilungszustand aufweist und in diesem Zustand
wurde die Beanspruchungsverteilung an der Oberfläche des
Sensorchips 6, wenn an die Membran 1b ein Druck angelegt
wurde, durch die Finite-Elemente-Methode analysiert. Das
Ergebnis ist in Fig. 20 gezeigt. Zudem wurde in diesem
Zustand die Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche
des Sensorchips 6 auch durch die Finite-Elemente-Methode
unter den gleichen Bedingungen analysiert, wie für Fig. 19,
und das Ergebnis ist in Fig. 21 gezeigt.
Wenn die Fig. 20 und 21 mit den Fig. 18 und 19
verglichen werden, die die analytischen Ergebnisse in dem
Zustand zeigen, wo die Ebenenform des Glases 7 mit
niedrigem Schmelzpunkt gleichmäßig achteckig ist, wobei
eine Länge zwischen gegenüberliegenden Seiten ungefähr 3,5
mm aufweist, haben sie sehr ähnliche Verläufe. Sogar wenn
die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt
kreisförmig ist, können demgemäß die gleichen Wirkungen wie
in der fünften Ausführungsform vorgesehen werden.
Als eine andere modifizierte Ausführungsform wurde das
Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt so ausgeformt, daß es ei
ne gleichmäßige sechseckige Form aufweist, wobei eine Länge
zwischen gegenüberliegenden Seiten ungefähr 3,5 mm beträgt,
und daß ein Paar von gegenüberliegenden Seiten entlang
einem Paar von gegenüberliegenden Seiten des Sensorchips
angeordnet ist. In diesem Zustand ist die
Beanspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips
6, wenn ein Druck an die Membran 1b angelegt worden ist,
durch die Finite-Elemente-Methode analysiert worden. Das
Ergebnis ist in Fig. 22 gezeigt. Fig. 23 zeigt eine
Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des
Sensorchips 6, der an dem gleichmäßigen sechseckigen Glas 7
mit niedrigem Schmelzpunkt angeordnet ist, die unter den
gleichen Bedingungen wie für Fig. 19 auch durch die Finite-
Elemente-Methode analysiert worden ist. Es ist ersichtlich,
daß, wenn die Fig. 22 und 23 mit den Fig. 18 und 19
verglichen werden, sie sehr ähnliche Verläufe bzw. Profile
aufweisen. Sogar wenn die Ebenenform des Glases 7 mit
niedrigem Schmelzpunkt gleichmäßig sechseckig ist, können
demgemäß die gleichen Wirkungen wie die der fünften
Ausführungsform vorgesehen werde.
D.h., wenn die Ebenenform des Glases 7 mit niedrigem
Schmelzpunkt zum Verbinden des Sensorchips 6 mit der
Membran 1b ein Kreis oder ein Polygon, das einem Kreis sehr
nahe kommt, ist, kann die Differenz der Wärmebeanspruchung
reduziert werden, obwohl hier eine gewisse Differenz
vorhanden ist. Wenn angenommen wird, daß die Ebenenform des
Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt eine polygonale Form
ist, ist es denkbar, als ein Kriterium für die Beurteilung,
wie nahe das Polygon dem Kreis kommt, einen
Umkreisdurchmesser mit einem Inkreisdurchmesser des Po
lygons zu vergleichen. D.h. wie oben beschrieben worden
ist, ist herausgefunden worden, daß, wenn ein Wert des
Umkreisdurchmessers in Bezug auf den Inkreisdurchmesser ein
δ ist, das Polygon, das ein δ kleiner als 1,2 aufweist, die
Differenz der Wärmebeanspruchung verringern kann. Wenn das
Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt eine sechseckige Form
oder eine andere Form aufweist die der des Kreises näher
kommt als die sechseckige Form, kann in der Praxis die
Differenz der Wärmebeanspruchung verringert werden.
Demgemäß kann eine nachteilige Wirkung der
Wärmebeanspruchung, die durch die Differenz der linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Metallmembran
und dem Sensorchip verursacht wird, minimiert werden. Der
Erfassungsfehler wird verringert und die Ausbeute des
Sensorchips wird verbessert, wobei einfach die Ebenenform
des Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt verändert wird.
Während in der fünften Ausführungsform der Sensorchip 6
aus einem Einkristallsilizium mit einer (100)-Ebenenorien
tierung hergestellt ist, wie oben beschrieben ist, kann der
Sensorchip aus einem Einkristallsilizium mit einer (110)-
Ebenenorientierung hergestellt sein.
Fig. 24 zeigte eine sechste bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die einen solchen Aufbau
verwendet. D.h. ein Sensorchip 6a in der sechsten
Ausführungsform ist aus einem Einkristallsilizium mit einer
(110)-Ebenenorientierung hergestellt und in diesem Fall
sind die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d auf dem
Sensorchip 6a auf die folgende Art und Weise angeordnet.
Das Glas 7 mit niedrigem Schmelzpunkt weist eine
gleichmäßige achteckige Form auf.
D.h., der Sensorchip weist eine <100<-Richtung und eine
<110<-Richtung auf, die zueinander senkrecht stehen und zu
der Oberflächenebene des Sensorchips 6a parallel angeordnet
sind. Anschließend wird ein Paar von Dehnungsmeßwiderstän
den 3b, 3c, die an den gegenüberliegenden Seiten der
Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind (siehe
Fig 3), an dem mittigen Abschnitt des Sensorchips 6a in die
<100<-Richtung, d. h. entlang der y-Achse, angeordnet, und
ein Paar von Dehnungsmeßwiderständen 3a, 3d, die an den an
deren gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen
Brückenschaltung angeordnet sind, wird an
Umfangsabschnitten entlang der x-Achse angeordnet.
In diesem Fall wird das Ausgabespannungsniveau Vaus
durch die obige Gleichung (6) ausgedrückt und die
Druckbeanspruchungsverteilung und die Wärmebe
anspruchungsverteilung an der Oberfläche des Sensorchips 6a
sind etwa die gleichen, wie die in den Fig. 4, 5
gezeigten, wie in der vierten Ausführungsform, und demgemäß
können die gleichen Wirkungen wie in der vieren
Ausführungsform vorgesehen werden. Die Ebenenform des
Glases 7 mit niedrigem Schmelzpunkt kann auch in der
sechsten Ausführungsform natürlich ein Kreis oder ein
gleichmäßiges Sechseck sein.
Die Fig. 25 bis 33 zeigen eine siebte gegenwärtige
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und es werden
unterhalb nur Aspekte erklärt, die sich von der ersten Aus
führungsform unterscheiden.
Es wird auf die Fig. 25 und 26 Bezug genommen. Mit
der oberen Fläche der Metallmembran 1b, die an dem oberen
Abschnitt des Erfassungskörpers 1 aus Metall ausgeformt
ist, ist unter Verwendung eines Glases mit niedrigem
Schmelzpunkt oder eines (nicht gezeigten) Klebemittels ein
rechteckiger, plattenähnlicher Sensorchip 8 verbunden, der
aus einem Einkristallsilizium (einem Einkristallhalbleiter)
hergestellt ist, dessen Ebenenorientierung ungefähr (100)
beträgt. Es ist anzumerken, daß die Abmessungen von jedem
Abschnitt des Erfassungskörpers 1 die gleichen sind, wie
die in der ersten Ausführungsform. Zudem ist die gesamte
Rückfläche des Sensorchips 8 an der Membran 1b angeordnet.
In einer Draufsicht weist der Sensorchip 8 insbesondere
eine quadratische Form auf (z. B. 3,5 mm2 mit einer Dicke
von ungefähr 0,2 mm). Das den Sensorchip 8 bildende Ein
kristallsilizium weist <110<-Richtungen auf, die zueinander
senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene des Sen
sorchips 8 parallel angeordnet sind. In der vorliegenden
Ausführungsform ist der Sensorchip 8 in der quadratischen
Form derartig ausgeformt, daß jede der Kristallrichtungen,
d. h. der <110<-Richtungen, um einen vorgegebenen Drehwinkel
Θ, wie zum Beispiel 22,5°, in Bezug auf eine Linie, die zu
den jeweiligen Seiten des Sensorchips 8 parallel ist,
gedreht ist. D.h., wenn eine Achse, die durch den
Mittelpunkt O des Sensorchips 8 und parallel zu einer der
<110<-Richtungen verläuft, als eine x-Achse bezeichnet wird
und eine Achse, die durch den Mittelpunkt O und parall zu
der anderen der <110<-Richtungen verläuft, als eine y-Achse
bezeichnet wird, ist der bestimmte Drehwinkel Θ ein
Winkel, der zwischen der y-Achse und einer Mittellinie A,
die zu eine Seite 81 des Sensorchips 8 parallel verläuft,
definiert ist, und ein Winkel, der zwischen der x-Achse und
einer Mittellinie B, die zu der Seite 82 des Sensorchips 8
parallel verläuft, definiert ist. Die Seite 81 steht auf
der Seite 82 senkrecht. Zudem sind wie in der ersten
Ausführungsform die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d, die
die Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden (siehe Fig. 3),
an der Oberfläche des Sensorchips 8 derartig angeordnet,
daß Positionen, wo die vier Dehnungsmeßwiderstände 3a bis
3d angeordnet sind, in Bezug auf den Mittelpunkt O an den
x-, y-Achsen punktsymmetrisch werden.
In dieser Anordnung wird ein zu erfassender Druck an
die Membran 1b an der Druckaufnahmeanschlußseite angelegt,
während ein konstanter Referenzdruck (z. B. ein atmos
phärischer Druck) an der Membran 1b an der gegenüberliegen
den Seite des Druckaufnahmeanschlusses 1a angelegt wird.
Demgemäß biegen sich die Membran und der Sensorchip 8 auf
grund einer Differenz zwischen den angelegten Drücken ge
meinsam. Die Biegung des Sensorchips 8 wird von einer
Dehnungsbiegung bzw. Spannungsbiegung seines
Oberflächenbereiches begleitet, die Änderungen der
Widerstandswerte der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d
verursacht. Als Ergebnis wird das Signal, das das
Aufgabespannungsniveau Vaus aufweist, welches dem zu
erfassenden Druck entspricht, aus der in Fig 3 gezeigten
Wheatstone'schen Brückenschaltung ausgegeben. Das
Ausgabespannungsniveau Vaus wird durch die oben beschrie
bene Gleichung (5) ausgedrückt.
Wie oben beschrieben ist, wird zudem die Differenz
zwischen den Beanspruchungen, die durch den angelegten
Druck an der Oberfläche des Sensorchips 8 erzeugt wird, in
die x-Achs-, y-Achsrichtungen größer, je größer der Abstand
der Position von dem Mittelpunkt O wird, wenn der Druck an
die Membran angelegt wird. Um das Ausgabespannungsniveau
Vaus zu erhöhen, damit das Ansprechverhalten verbessert
wird, ist es daher notwendig, das die Dehnungsmeßwi
derstände 3a bis 3d an den Positionen angeordnet sind, die
von dem Mittelpunkt O soweit wie möglich entfernt liegen.
Andererseits wird, wie oben beschrieben ist, die
Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs-,
y-Achsrichtungen größer, je größer der Abstand der Position
von dem Mittelpunkt O wird, wenn an die
Druckerfassungsvorrichtung eine vorgegebene
Temperaturdifferenz und kein Druck angelegt wird. Die
Differenz der Wärmebeanspruchung verursacht den
Erfassungsfehler. Weil jedoch in der vorliegenden
Ausführungsform der Sensorchip 8 derartig ausgeformt ist,
daß jede der <110<-Richtungen und jede der Seiten 81, 82
zwischen sich den vorgegebenen Drehwinkel Θ von 22,5°
einschließen, dehnt sich der Abschnitt, wo die Differenz
der Wärmebeanspruchung fast Null ist, zu der Position aus,
die von dem Mittelpunkt O weiter entfernt liegt, als in dem
Fall, wo <110<-Richtungen zu den jeweiligen Seiten des
Sensorchips parallel angeordnet sind.
Die Fig. 27 bis 29 zeigen Wärme
beanspruchungsverteilungen von Modellen, von welchen
angenommen wird, daß sie jeweils die Sensorchips 8
aufweisen, die mit den Membranen 1b an ihren gesamten
Rückflächen angeordnet sind, und daß sie Drehwinkel Θ
aufweisen, die jeweils 0°, 22,5° und 45° betragen.
Insbesondere sind in dem Zustand, wo eine bestimmte
Temperaturdifferenz (zum Beispiel 95°C) an die
Druckerfassungsvorrichtung angelegt worden ist und an die
Membran 1b kein Druck angelegt worden ist, die
Wärmebeanspruchungsverteilungen an den Oberflächen des
Sensorchips 8 in den Modellen durch die Finite-Elemente-
Methode analysiert worden. In den Fig. 27 bis 29 ist
jede der Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von Punkten
entlang der x-Achse in Fig. 26 in einer Beanspruchung σxx
in die x-Achsrichtung und eine Beanspruchung σyy in die y-
Achsrichtung aufgeteilt.
Wie aus den in den Fig. 27 und 29 gezeigten analyti
schen Ergebnissen ersichtlich ist, beginnt die Differenz
zwischen den Beanspruchungen in die x-Achs-, y-Achsrichtun
gen, d. h., σyy-σxx, damit, von der Position größer zu
werden, von der ein Abstand vom Mittelpunkt O ungefähr 0,4
mm bis 0,5 mm überschreitet, wenn der Drehwinkel Θ 0° oder
45° beträgt. Wenn im Gegensatz dazu der Drehwinkel Θ 22,5°
beträgt, wie in Fig. 28 gezeigt ist, ist die Differenz der
Beanspruchungen in einem Bereich von dem Mittelpunkt O bis
wenigstens 0,9 mm ungefähr Null.
Demgemäß kann in der vorliegenden Ausführungsform die
Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs
richtung und in die y-Achsrichtung fast Null sein, wenn die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen angeord
net sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O ungefähr
1,0 mm oder weniger, vorzugsweise ungefähr 0,9 mm oder
weniger betragen. Als, Ergebnis kann der Erfassungsfehler
verringert werden. Zudem kann das Ausgabespannungsniveau
Vaus deutlich erhöht werden, um das Ansprechverhalten zu
verbessern. Es hat auch den Vorteil, daß solche Wirkungen
erzielt werden können, wobei nur die Richtung der
Kristallrichtungen an den Sensorchip 8 geändert werden,
d. h. wobei nur die Anordnung der Dehnungsmeßwiderstände an
den Sensorchip 8 geändert wird. Weil die Form des Sen
sorchips 8 quadratisch ist, wird nicht nur das Layout des
Sensorchips 8 an dem Halbleiter-Wafer vereinfacht, sondern
es können auch durch ein Waferschneidverfahren die
Sensorchips 8 leicht erzielt werden. Als Ergebnis wird die
Produktivität und die Ausbeute der Sensorchips 8 stark
verbessert.
Während der Drehwinkel Θ der <110<-Richtung an dem
Sensorchip 8 in Bezug auf die Seite des Sensorchips 8 in
der siebenten Ausführungsform auf 22,5° festgelegt ist, ist
der Drehwinkel Θ nicht darauf eingeschränkt und er kann um
ein bestimmtes Grad in einen anderen Winkel geändert
werden, solange es den Winkel gestattet, daß der Bereich
gesichert wird, in dem die Differenz zwischen den
Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen an
den Positionen, wo die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d
angeordnet sind, fast Null ist.
Als nächstes wird unterhalb eine Toleranz des
Drehwinkels Θ beschrieben. Wenn die Differenz zwischen
Wärmebeanspruchungen in die x-Achsrichtung und die y-
Achsrichtung an dem Sensorchip vorhanden ist, ändert sich
der Nullpunkt der erfaßten Ausgabespannung gemäß der
Temperatur, wobei somit ein Problem in der Nichtlinearität
aufgeworfen wird. Wenn eine derartige Nichtlinearität durch
eine externe Schaltung kompensiert wird, treten
anschließend andere Probleme auf, nämlich daß der
Schaltungsaufbau kompliziert wird und daß er eine
umständliche Steuerung erfordert. Eine solche Temperatur-
Nichtlinearität der Offset-Spannung (TNO) ist auch in der
vorliegenden Ausführungsform ein Problem. Die TNO wird
durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt:
TNO = - {(Voffset(HT) - Voffset(RT))/(FS(HT - RT)) -
(Voffset(LT)- Voffset(RT))/(FS(LT - RT))} (LT - RT)100 [%FS]
worin Voffset(T) eine Nullpunktausgabespannung bei ei
ner Temperatur T ist, RT eine Raumtemperatur ist, HT die
höchste Temperatur einer Schwankungsbreite der Temperatur
ist, LT die niedrigste Temperatur innerhalb der Schwan
kungsbreite der Temperatur ist und FS ein maximaler
Ausgabespannungsbereich (Meßbereich) (full-scale output
voltage width) ist.
Fig. 30 zeigt ein Ergebnis, das durch Simulation der
Abhängigkeit der TNO von dem Drehwinkel Θ erzielt wird,
wobei ein Modell mit der Basisanordnung der siebenten Aus
führungsform verwendet wird. Es ist anzumerken, daß in
dieser Simulation der Abstand der Dehnungsmeßwiderstände
von dem Mittelpunkt O des Chips so angenommen wird, daß er
0,8 mm,beträgt, und ein Ausbildungsbereich von jedem der
Dehnungsmeßwiderstände wird so angenommen, daß er 0,2 mm2
beträgt.
Der Zustand des Drehwinkels Θ = 0° in Fig. 30 ent
spricht der herkömmlichen Dehnungsmeßanordnung an dem qua
dratischen Sensorchip und ein Absolutwert von TNO in diesem
Zustand beträgt mehr als 4% FS. Für die Kompensation der
Nichtlinearität ist es effektiv, den Absolutwert von TNO
auf die Hälfte zu verringern, und es ist ausreichend, den
Drehwinkel Θ in einem Bereich von 15° bis 33° festzulegen.
Wenn der Drehwinkel Θ Null ist, beträgt in Fig. 30 TNO
ungefähr 25°. Es wird in Erwägung gezogen, daß dies durch
die Tatsache verursacht wird, daß der Ausbildungsbereich
von jedem der Dehnungsmeßwiderstände quadratisch angenommen
wird.
Andererseits ist es sogar dann, wenn der Drehwinkel Θ
auf einem größeren Winkel als 33° festgelegt wird, für die
Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs
richtung, die den Erfassungsfehler verursachen kann, mög
lich, daß sie Null beträgt. Die Fig. 31 bis 33 zeigen
analytische Ergebnisse der Wärmebeanspruchungsverteilungen
an den Oberflächen des quadratischen Sensorchips 8 von
Modellen, in welchen die Drehwinkel Θ jeweils 33,75°, 37°
und 40° betragen. In jedem der Modelle ist der Sensorchip 8
mit seiner gesamten Rückfläche an der Membran 1b angeordnet
bzw. angeklebt, wie oben beschrieben ist. Die in den
Fig. 31 bis 33 gezeigten Wärmebeanspruchungsverteilungen
sind jeweils durch die Finite-Elemente-Methode in dem
Zustand analysiert worden, wo eine bestimmte Temperaturdif
ferenz (z. B. 95°C) an die Druckerfassungsvorrichtung
vorgegeben worden ist und der angelegte Druck Null betrug.
In den Fig. 31 bis 33 werden die Wärme
beanspruchungsverteilungen in einem aus gespaltenen Zustand
angezeigt, bei dem jede der Wärmebeanspruchungen an einer
Vielzahl von Punkten entlang der x-Achse in Fig. 26 in eine
Beanspruchung σxx in die x-Achsrichtung und in eine
Beanspruchung σyy in die y-Achsrichtung an jeweiligen
Punkten aufgeteilt ist.
Die folgenden Gesichtspunkte sind aus den oben be
schriebenen analytischen Ergebnissen ersichtlich. D.h., in
dem in Fig. 31 gezeigten Modell, in dem der Drehwinkel Θ
33,75° beträgt, ist die Differenz zwischen den Wärmebe
anspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen, (d. h.,
σyy -σxx) in einem Bereich von 0 mm bis ungefähr 0,3 mm
fast Null, sie erhöht sich von ungefähr 0,3 mm und sie
fällt anschließend bei ungefähr 1,6 mm wieder gegen Null.
Wenn die Mitten der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den
Positionen angeordnet sind, deren Abstände von dem
Mittelpunkt O ungefähr 1,6 mm betragen, wird demgemäß die
Ausgabespannung hoch und gleichzeitig kann die Differenz
der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) minimiert werden, so daß
sich der Erfassungsfehler verringert. Zudem existiert in
dem in Fig. 32 gezeigten Modell, in dem der Drehwinkel Θ
37° beträgt, die Position, wo die Differenz der
Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) Null ist (eine Position, wo
der Abstand von dem Mittelpunkt O ein wenig mehr als 1,9 mm
ist), so daß die Differenz der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx)
minimiert werden kann, um den Erfassungsfehler zu
verringern. In dem in Fig. 33 gezeigten Modell, in dem der
Drehwinkel Θ 40° beträgt, beträgt der Bereich, wo die
Differenz der Wärmebeanspruchung (σyy-σxx) fast Null ist,
auf den sehr nahen Bereich bis ungefähr 0,2 mm von dem
Mittelpunkt O eingeschränkt. Daher kann die oben
beschriebene Wirkung einer Fehlerreduzierung nicht erwartet
werden. In Hinsicht des oben genannten liegt die Toleranz
des Drehwinkels Θ in einem Bereich von 15° bis 37° und der
Drehwinkel Θ kann innerhalb dieses Bereichs geändert
werden.
Die Fig. 34 bis 38 zeigen eine achte bevorzugte Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung, die durch Modifi
zieren der siebenten Ausführungsform erzielt wird. Die vor
liegende Ausführungsform wird unterhalb durch Aspekte er
klärt, die sich von der siebenten Ausführungsform unter
scheiden.
Es wird auf die Fig. 34 und 35 Bezug genommen. Die
gesamte Rückfläche des Sensorchips 8, der auf die gleiche
Art und Weise hergestellt ist, wie der in der siebenten
Ausführungsform, ist mit der oberen Fläche einer Metallmem
bran 9b, die an dem oberen Abschnitt eines metallischen Er
fassungskörpers 9 ausgeformt ist, unter Verwendung eines
Glases mit niedrigem Schmelzpunkt oder eines (nicht gezeig
ten Klebemittels) verbunden. In der vorliegenden Ausfüh
rungsform ist eine Druckerfassungsvorrichtung zum Erfassen
eines Druckes von 200 MPa geeignet und der Erfassungskörper
9 weist daher einen Aufbau auf, der diesem entspricht. Das
heißt, der Erfassungskörper 9 ist z. B. aus einem Covar
(30% Ni - 20% Co - Fe) ausgeformt und ein Durchmesser eines
Druckaufnahmeanschlusses 9a und die Dicke der Membran 9b
werden auf ungefähr 2,5 mm bzw. 2 mm festgelegt.
Wenn die Dicke der Membran 9b stark erhöht wird, wie
oben beschrieben ist, ändert sich auch die
Wärmebeanspruchungsverteilung an der Oberfläche des
Sensorchips 8 mehr oder weniger. Um sich an eine derartige
Änderung der Wärmebeanspruchungsverteilung anzupassen, wird
anschließend der Drehwinkel Θ der Kristallrichtungen (<110<-
-Richtungen) des Einkristallsiliziums des Sensorchips 8 in
Bezug auf die Seite des Sensorchips 8 auf ungefähr 300
festgelegt. Der Drehwinkel Θ wird aus dem folgendem Grund
fest eingestellt.
Das heißt, es ist angenommen worden, daß drei Modelle
der Druckerfassungsvorrichtung, welche den quadratischen
Sensorchip 8 aufweisen, der mit der Membran 9b mit einer
Dicke von ungefähr 2 mm verbunden worden ist, jeweils die
Drehwinkel Θ von 26°, 30° und 34° aufgewiesen haben.
Anschließend ist die Wärmebeanspruchungsverteilung an der
Oberfläche des Sensorchips 8 in jedem Modell durch die
Finite-Elemente-Methode in dem Zustand analysiert worden,
wo der Druckerfassungsvorrichtung eine bestimmte
Temperaturdifferenz (z. B. 95°C) vorgegeben worden ist und
an die Membran kein Druck angelegt worden ist. Die
Ergebnisse der Modelle sind in den Fig. 36-38 gezeigt,
in denen die Wärmebeanspruchungen an einer Vielzahl von
Punkten entlang der x-Achse in Fig. 35 in Beanspruchungen
σxx in die x-Achsrichtung und in Beanspruchungen σyy in die
y-Achsrichtung an den jeweiligen Punkten aufgeteilt sind.
Aus den analytischen Ergebnissen ist ersichtlich, daß
das in Fig. 37 gezeigte Modell mit dem Drehwinkel Θ von 30°
den breitesten Bereich vorsieht, wo die Differenz zwischen
den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtun
gen in den drei Modellen fast Null beträgt, und der
weiteste Bereich erstreckt sich bis zu einem Abstand von
ungefähr 1 mm von dem Mittelpunkt O. Wenn die
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an den Positionen
angeordnet sind, wo die Abstände von dem Mittelpunkt O des
Chips ungefähr 1 mm oder weniger betragen, kann demgemäß
sogar in dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform die
Differenz zwischen den Wärmebeanspruchungen in die x-Achs-
und y-Achsrichtungen fast Null betragen, so daß sich der
Erfassungsfehler verringert, und gleichzeitig kann das
Ausgabespannungsniveau Vaus ausreichend erhöht werden, so
daß das Ansprechverhalten verbessert wird.
Der Drehwinkel Θ ist nicht auf 30° begrenzt, der in
der vorliegenden Ausführungsform zitiert ist, und er kann
um ein bestimmtes Grad in einen anderen Winkel geändert
werden, so lange es der Winkel gestattet, den Bereich si
cherzustellen, wo die Differenz zwischen den Wärmebeanspru
chungen,in die x-Achs- und y-Achsrichtungen an den vorgege
benen Positionen der Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d fast
Null beträgt, ähnlich wie in der siebenten Ausführungsform.
Während der quadratische Sensorchip 8 aus einem Einkri
stallsilizium mit einer (100)-Ebenenorientierung in den
oben beschriebenen siebten und achten Ausführungsformen
hergestellt ist, kann der Sensorchip aus einem Einkristall
silizium mit einer (110)-Ebenenorientierung hergestellt
sein.
Fig. 39 zeigt eine neunte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei eine derartige Struktur
verwendet wird. D.h., die neunte Ausführungsform ist eine
modifizierte Ausführungsform des siebenten Ausführungsform.
Es ist dann notwendig, die Anordnung der Dehnungsmeßwider
stände 3a bis 3d an einem Sensorchip 8a von der in Fig. 26
gezeigten in die in Fig. 39 gezeigte zu ändern, weil der
Sensorchip 8a aus einem Einkristallsilizium mit einer
(110)-Ebenenorientierung hergestellt ist, wie oben be
schrieben worden ist. Die Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d
bilden die in Fig. 3 gezeigte Wheatstone'sche Brückenschal
tung.
Insbesondere weist der Sensorchip 8a eine <100<-Rich
tung und eine <110<-Richtung des Einkristallsiliziums auf,
die zueinander senkrecht stehen und zu der Oberflächenebene
des Sensorchips 8a parallel angeordnet sind. In diesem Fall
ist das Paar von Dehnungsmeßwiderständen 3b, 3c, die an den
gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brücken
schaltung angeordnet sind, an dem mittigen Abschnitt des
Sensorchips 8a entlang der <100<-Richtung, d. h. auf der
durch den Mittelpunkt O des Sensorchips 8a verlaufenden y-
Achse, angeordnet, und das Paar der Dehnungsmeßwiderstände
3a, 3d, die an den anderen gegenüberliegenden Seiten der
Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet sind, ist an
Umfangsabschnitten des Sensorchips 8a entlang der <110<-
Richtungen d. h. auf der durch den Mittelpunkt O
verlaufenden x-Achse, angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die Differenz
zwischen der Wärmebeanspruchung, die auf die Dehnungsmeßwi
derstände 3b, 3c wirkt, und der Wärmebeanspruchung, die auf
die Dehnungsmeßwiderstände 3a, 3d wirkt, aus den gleichen
Gründen, wie sie in der sechsten Ausführungsform erklärt
sind, fast Null betragen. Demgemäß wird das
Ausgabespannungsniveau Vaus, das eine geringe
Wärmebeanspruchungs-Offset-Spannung aufweist, aus der
Wheatstone'schen Brückenschaltung erzielt, so daß das
Ansprechverhalten verbessert wird, während der
Erfassungsfehler verringert wird.
Wenn der quadratische Sensorchip 8 an der Membran 9b
angeordnet ist, die eine Dicke von ungefähr 2 mm aufweist
wird in der achten Ausführungsform der bevorzugte Drehwin
kel Θ des Sensorchips auf 30° festgelegt.
Im Gegensatz dazu ist in einer zehnten Ausführungsform,
wie in den Fig. 40, 41 gezeigt ist, in einem Zustand, wo
der quadratische Sensorchip 8 aus einem Einkristallsilizium
mit einer (100)-Ebenenorientierung mit einer Metallmembran
10b eines Erfassungskörpers 10 durch ein Glas 7a mit einem
niedrigen Schmelzpunkt verbunden ist, die Abhängigkeit des
optimalen Drehwinkels Φ in Bezug auf die Dicke T der Mem
bran 10 und die Dicke t des Glases 7a mit niedrigem
Schmelzpunkt berücksichtigt. Hier ist der optimale Drehwin
kel Φ ein Drehwinkel Θ, wenn eine Differenz zwischen Wär
mebeanspruchungen in die x-Achs- und y-Achsrichtungen Null
ist. In der zehnten Ausführungsform beträgt ein Durchmesser
eines Druckaufnahmeanschlusses 10a 2,5 mm und die Größe und
die Dicke des Sensorchips 8 betragen 3,5 mm2 bzw. 200 µm,
wie in der achten Ausführungsform. Es sind ebenfalls vier
Dehnungsmeßwiderstände 3a bis 3d an dem Sensorchip 8
punktsymmetrisch hinsichtlich des Mittelpunktes O auf den
x-, y-Achsen angeordnet, die zu den jeweiligen <110<-
Richtungen parallel verlaufen, und sie weisen Längsachsen
auf, die jeweils zu der x-Achse parallel verlaufen. Ein
Abstand der Dehnungsmeßwiderstände von dem Mittelpunkt O
wird auf eine bestimmte Länge eingestellt. Das Glas 7a mit
niedrigem Schmelzpunkt ist kreisförmig ausgeformt, wobei es
einen Bereich aufweist, der größer als der des Sensorchips
8 ist, wie in Fig. 40 gezeigt ist. In Fig. 41 ist das Glas
7a mit niedrigem Schmelzpunkt weggelassen.
In der oben beschriebenen Anordnung haben die vorlie
genden Erfinder als ein Ergebnis der Studien und Analysen
die folgende Gleichung (8) herausgefunden, die einen opti
malen Drehwinkel Φ, eine Dicke T der Membran 10b und eine
Dicke T des Glases 7a mit niedrigem Schmelzpunkt betrifft;
Φ = A - BeC (T+t) (°) (8)
worin A, B, C Konstanten sind, die Bereiche von
40<A<45, 15<B<30, bzw. -4×10-4<C<-2×10-4 aufweisen, welche
auf der Grundlage des Materials der Metallmembran und der
zulässigen Genauigkeit bestimmt werden. Die Dicken T, t,
weisen Bereiche von 100 µm<T<3500 µm, 15 µm<t<150 µm auf,
die auf der Grundlage der Materialfestigkeit und des
Sensoransprechverhaltens bestimmt werden. Die Kurve der
Gleichung (8) ist in Fig. 42 für Fälle gezeigt, bei denen
die Membran aus einem Covar-System-Stab und einem Ni-Fe-
System-Stab hergestellt ist. Insbesondere ist die Gleichung
(8) aus der Näherungskurve der Fig. 42 bestimmt worden, die
aus analytischen Ergebnissen der Offset-Temperatur-
Charakteristiken in Bezug auf den Drehwinkel Θ und in
Bezug auf die Summe der Dicken (T+t) in den obigen zwei
Fällen durch Simulationen erzielt worden ist. Fig. 43 zeigt
als ein Beispiel die Offset-Temperatur-Charakteristik in
Bezug auf den Drehwinkel Θ. In der Simulation für Fig. 43
ist die Dicke der aus dem Covar-System-Schaft hergestellten
Membran auf 0,65 mm und die Dicke der aus dem Ni-Fe-System
Schaft hergestellten Membran auf 2,0 mm eingestellt worden.
Wenn die Gleichung (8) bestimmt worden ist, wurden zentrale
Werte der Konstanten A, B jeweils auf 45°, 25° eingestellt,
wobei die Fälle angenommen wurden, daß T+t→0 und T+tw→∞
gegolten hat. Die Konstante C ist festgelegt worden, um je
den Punkt sicher anzunähern. Die Bereiche der Konstanten A,
B sind auf der Grundlage der Temperatur-Nichtlinearität der
Offset-Spannung (TNO) bestimmt worden. Insbesondere ist die
TNO hinsichtlich der Ausgestaltung innerhalb ± 2,0% F.S.
festgelegt worden. Demgemäß wird eine zulässige Änderung
des Drehwinkels an jedem Punkt ± 8,4° und die Bereiche der
Konstanten A, B sind abgeleitet worden.
Die vorliegenden Erfinder fanden somit das Verhältnis
zwischen dem optimalen Drehwinkel Φ und den Dicken T, t
der Membran und dem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt heraus.
Demgemäß kann die Druckerfassungsvorrichtung leicht herge
stellt werden, um die Aufbauanforderungen zu erfüllen und
um die Wärmebeanspruchung bei niedrigen Kosten zu verrin
gern.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben be
schriebenen Ausführungsformen eingeschränkt und kann inner
halb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie er
in den beigefügten Ansprüchen definiert ist geändert oder
ausgedehnt werden.
Obwohl die vier Dehnungsmeßwiderstände an dem Sen
sorchip ausgeformt sind, um die Wheatstone'sche
Brückenschaltung aufzubauen, kann z. B. eine
Halbbrückenschaltung durch zwei Dehnungsmeßwiderstände
ausgeformt sein. Zudem ist das Material des Sensorchips
nicht nur auf das Einkristallsilizium eingeschränkt und es
können andere Einkristallhalbleitermaterialien verwendet
werden, solange sie ungefähr den Piezowiderstandseffekt
aufweisen.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen erklärt
werden, wobei sie den Fall exemplarisch darstellen, wo die
Länge zwischen gegenüberliegenden Seiten oder der Durchmes
ser des Sensorchips größer ist als der Durchmesser der Mem
bran, kann zudem das Abmessungsverhältnis im Gegensatz zu
diesen sein. Das Material des Erfassungskörpers ist nicht
auf Covar eingeschränkt. Obwohl die Dehnungsmeßwiderstände
aus Diffusionswiderständen hergestellt sind, können sie aus
Mehrkristallsiliziumwiderständen hergestellt sein.
Es wird eine Druckerfassungsvorrichtung vorgesehen, die
einen Einkristallhalbleiterchip aufweist, der an einer
Metallmembran durch ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt
angeordnet ist. Der Sensorchip weist eine Ebenenform auf,
die aus einer kreisförmigen Form ausgewählt wird, worin
eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und
Innenwinkel von weniger als 180° aufweist, und worin eine
zweite polygonale Form ein Verhältnis eines
Umkreisdurchmessers in Bezug zu einem Inkreisdurchmesser
von weniger als 1,2 aufweist. An x-, y-Achsen, die durch
einen Mittelpunkt des Sensorchips parallel zu den <110<-
Richtungen verlaufen, sind vier Dehnungsmeßwiderstände
angeordnet. Demgemäß wird die Wärmebeanspruchung
verringert, so daß kein Erfassungsfehler nachteilig Einfluß
nimmt, und gleichzeitig wird eine hohes Ansprechverhalten
vorgesehen.
Claims (23)
1. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b)
zum Aufnehmen von einem Druck, mit einem
Einkristallhalbleitersensorchip (2, 4, 5, 2a), der an
der Membran (1b) angeordnet ist, und mit einem
Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d), der an dem Sensorchip
(2, 4, 5, 2a) angeordnet ist, worin
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) eine Ebenenfläche auf weist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, wobei sie aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und eine zweite polygonale Form ein Verhältnis von einem Um kreisdurchmesser in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 aufweist.
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) eine Ebenenfläche auf weist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, wobei sie aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und eine zweite polygonale Form ein Verhältnis von einem Um kreisdurchmesser in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 aufweist.
2. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) aus einem Einkristallhalb leiter mit einer <110<-Richtung hergestellt ist, die zu einer Oberflächenebene des Sensorchips (2, 4, 5, 2a) parallel verläuft; und
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) eine von den ersten und zweiten polygonalen Formen aufweist, die eine Seite aufweisen, welche zu der <110<-Richtung parallel verläuft.
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) aus einem Einkristallhalb leiter mit einer <110<-Richtung hergestellt ist, die zu einer Oberflächenebene des Sensorchips (2, 4, 5, 2a) parallel verläuft; und
der Sensorchip (2, 4, 5, 2a) eine von den ersten und zweiten polygonalen Formen aufweist, die eine Seite aufweisen, welche zu der <110<-Richtung parallel verläuft.
3. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1,
2, worin der Sensorchip (2) eine achteckige Form
aufweist.
4. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b)
zum Aufnehmen eines Druckes, mit einem
Einkristallhalbleitersensorchip (6, 6a), der durch ein
Verbindungsbauteil (7) mit der Membran (1b) verbunden
ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d), der
an dem Sensorchip (6, 6a) angeordnet ist, worin
der Sensorchip (6, 6a) eine rechteckige Ebenenform auf weist; und
das Verbindungsbauteil (7) eine Ebenenform aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und eine zweite polygonale Form ein Verhältnis eines Umkreisdurchmessers in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 auf weist.
der Sensorchip (6, 6a) eine rechteckige Ebenenform auf weist; und
das Verbindungsbauteil (7) eine Ebenenform aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt wird, welche aus einer kreisförmigen Form besteht, wobei eine erste polygonale Form mehr als fünf Seiten und Innenwinkel aufweist, die alle geringer als 180° sind, und eine zweite polygonale Form ein Verhältnis eines Umkreisdurchmessers in Bezug auf einen Inkreisdurchmesser von weniger als 1,2 auf weist.
5. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 4, worin
der Sensorchip (6, 6a) aus einem Einkristallhalbleiter mit einer <110<-Richtung hergestellt ist, die zu einer Oberflächenebene des Sensorchips parallel verläuft, und er eine Seite aufweist, die auf der <110<-Richtung senkrecht steht; und
das Verbindungsbauteil (7) eine der ersten und zweiten polygonalen Formen aufweist mit einer zu der <110<- Richtung senkrecht stehenden Seite.
der Sensorchip (6, 6a) aus einem Einkristallhalbleiter mit einer <110<-Richtung hergestellt ist, die zu einer Oberflächenebene des Sensorchips parallel verläuft, und er eine Seite aufweist, die auf der <110<-Richtung senkrecht steht; und
das Verbindungsbauteil (7) eine der ersten und zweiten polygonalen Formen aufweist mit einer zu der <110<- Richtung senkrecht stehenden Seite.
6. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4,
5, worin das Verbindungsbauteil (7) eine achteckige
Form aufweist.
7. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4
bis 6, worin das Verbindungsbauteil (7) aus einem Glas
mit niedrigem Schmelzpunkt hergestellt ist.
8. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 7, worin der Dehnungsmeßwiderstand (3a-3d) an dem
Sensorchip (2, 4, 5, 6) an einer Position angeordnet
ist, deren Abstand von einem Mittelpunkt (O) des Sen
sorchips (2, 4, 5, 6) geringer als 1 mm beträgt.
9. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b,
9b, 10b) zum Aufnehmen eines Druckes, mit einem
Sensorchip (8, 8a), der an der Membran (1b, 9b, 10b)
angeordnet ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand
(3a-3d), der an dem Sensorchip (8, 8a) angeordnet ist,
worin
der Sensorchip (8, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter mit zwei Kristallrichtungen hergestellt ist, die zuein ander senkrecht stehen und zu einer Oberfläche des Sen sorchips (8, 8a) parallel verlaufen, und er eine rechteckige Ebenenform mit ersten und zweiten Seiten (81, 82) aufweist, die zueinander senkrecht stehen, wo bei eine der ersten und zweiten Seiten (81, 82) mit ei ner der Kristallrichtungen einen bestimmten Winkel (Θ) in einem Bereich von 15° bis 37° bildet.
der Sensorchip (8, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter mit zwei Kristallrichtungen hergestellt ist, die zuein ander senkrecht stehen und zu einer Oberfläche des Sen sorchips (8, 8a) parallel verlaufen, und er eine rechteckige Ebenenform mit ersten und zweiten Seiten (81, 82) aufweist, die zueinander senkrecht stehen, wo bei eine der ersten und zweiten Seiten (81, 82) mit ei ner der Kristallrichtungen einen bestimmten Winkel (Θ) in einem Bereich von 15° bis 37° bildet.
10. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, worin der
bestimmte Winkel (Θ) zwischen der einen der ersten und
zweiten Seiten (81, 82) und der einen der Kristallrich
tungen in einem Bereich von 15° bis 33° liegt.
11. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1,
4, 9, worin der Sensorchip (2, 4, 5, 6, 8) aus einem
Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (100)-Ebenen
orientierung und mit zwei zueinander senkrechten
Kristallrichtungen hergestellt ist.
12. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 11, worin
die zwei Kristallrichtungen <110<-Richtungen sind; und
der Dehnungsmeßwiderstand eine Vielzahl von Dehnungs
meßwiderständen (3a-3d) aufweist, die elektrisch ver
bunden sind, so daß sie eine Brückenschaltung bilden,
wobei die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d)
jeweils auf ersten und zweiten Achsen (x-, y- Achsen),
die einander an einem Mittelpunkt (O) des Sensorchips
(2, 4, 5, 6, 8) unter rechten Winkeln schneiden, an
Positionen angeordnet ist, deren Abstände vom
Mittelpunkt (O) gleich sind, wobei die ersten und
zweiten Achsen (x-, y- Achsen) zu den jeweiligen <110<-
Richtungen des Einkristallhalbleiters parallel
verlaufen.
13. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 12, worin
die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) elek trisch verbunden ist, um eine Wheatstone'sche Brücken schaltung zu bilden; und
die Vielzahl von die Wheatstone'sche Brückenschaltung bildenden Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) in Bezug auf den Mittelpunkt (O) auf den ersten und zweiten Achsen (x- , y- Achse) punktsymmetrisch angeordnet ist.
die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) elek trisch verbunden ist, um eine Wheatstone'sche Brücken schaltung zu bilden; und
die Vielzahl von die Wheatstone'sche Brückenschaltung bildenden Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) in Bezug auf den Mittelpunkt (O) auf den ersten und zweiten Achsen (x- , y- Achse) punktsymmetrisch angeordnet ist.
14. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 13, worin die
Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) Längsach
sen aufweist, die alle zu einer der <110<-Richtungen
parallel verlaufen.
15. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1,
4 und 9, worin der Sensorchip (2a, 6a, 8a) aus einem
Einkristallhalbleiter mit einer ungefähr (110)-Ebenen
orientierung hergestellt ist.
16. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 15, worin
der Dehnungsmeßwiderstand eine Vielzahl von Dehnungs meßwiderständen (3a-3d) aufweist, die elektrisch ver bunden sind, so daß sie eine Brückenschaltung bilden, und die an dem Sensorchip (2a, 6a, 8a) parallel zu einer <110<-Richtung des Einkristallhalbleiters angeordnet sind;
einer aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3b, 3c) an einem mittigen Abschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist; und
ein anderer der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a, 3d) an einem Umfangsabschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist.
der Dehnungsmeßwiderstand eine Vielzahl von Dehnungs meßwiderständen (3a-3d) aufweist, die elektrisch ver bunden sind, so daß sie eine Brückenschaltung bilden, und die an dem Sensorchip (2a, 6a, 8a) parallel zu einer <110<-Richtung des Einkristallhalbleiters angeordnet sind;
einer aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3b, 3c) an einem mittigen Abschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist; und
ein anderer der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a, 3d) an einem Umfangsabschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist.
17. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 16, worin
die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) elek trisch verbunden ist, um eine Wheatstone'sche Brücken schaltung zu bilden; und
ein Paar aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3b, 3c), das an gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet ist, an dem mittigen Abschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) an geordnet ist; und
ein anderes Paar aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwider ständen (3a, 3d), das an anderen gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet ist, an dem Umfangsabschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist.
die Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3a-3d) elek trisch verbunden ist, um eine Wheatstone'sche Brücken schaltung zu bilden; und
ein Paar aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwiderständen (3b, 3c), das an gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet ist, an dem mittigen Abschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) an geordnet ist; und
ein anderes Paar aus der Vielzahl von Dehnungsmeßwider ständen (3a, 3d), das an anderen gegenüberliegenden Seiten der Wheatstone'schen Brückenschaltung angeordnet ist, an dem Umfangsabschnitt des Sensorchips (2a, 6a, 8a) angeordnet ist.
18. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1,
4 und 9, worin der an die Membran (1b, 9b, 10b) ange
legte Druck mehr als 10 MPa beträgt.
19. Druckerfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1,
4 und 9, worin die Membran (1b, 9b, 10b) eine kreisför
mige Form aufweist.
20. Druckerfassungsvorrichtung mit:
einer Metallmembran (10b) zum Aufnehmen eines Drucks;
einem rechtwinkligen Sensorchip (8), der mit der Mem bran (10b) verbunden ist und aus einem Einkristallhalb leiter mit einer ungefähr (100)-Ebenenorientierung her gestellt ist, wobei der Sensorchip eine Seite aufweist, die mit einer <110<-Richtung des Einkristallhalbleiters einen bestimmten Winkel (Φ) bildet;
einem Verbindungsbauteil (7a), das zwischen der Membran (10b) und dem Sensorchip (8) angeordnet ist; und
einer Vielzahl von Piezowiderständen (3a-3d), die an dem Sensorchip (8) an Positionen angeordnet sind, die in Bezug auf einen Mittelpunkt (O) des Sensorchips (8) punktsymmetrisch sind, wobei jeder eine zu der <110<- Richtung parallele Längsachse aufweist;
worin der bestimmte Winkel Φ zwischen der Seite des Sensorchips und der <110<-Richtung durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
Φ = A - BeC (T+t)
worin T eine Dicke der Membran (10b), t eine Dicke des Verbindungsbauteils (7a) und A, B bzw. C bestimmte Konstanten darstellen.
einer Metallmembran (10b) zum Aufnehmen eines Drucks;
einem rechtwinkligen Sensorchip (8), der mit der Mem bran (10b) verbunden ist und aus einem Einkristallhalb leiter mit einer ungefähr (100)-Ebenenorientierung her gestellt ist, wobei der Sensorchip eine Seite aufweist, die mit einer <110<-Richtung des Einkristallhalbleiters einen bestimmten Winkel (Φ) bildet;
einem Verbindungsbauteil (7a), das zwischen der Membran (10b) und dem Sensorchip (8) angeordnet ist; und
einer Vielzahl von Piezowiderständen (3a-3d), die an dem Sensorchip (8) an Positionen angeordnet sind, die in Bezug auf einen Mittelpunkt (O) des Sensorchips (8) punktsymmetrisch sind, wobei jeder eine zu der <110<- Richtung parallele Längsachse aufweist;
worin der bestimmte Winkel Φ zwischen der Seite des Sensorchips und der <110<-Richtung durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
Φ = A - BeC (T+t)
worin T eine Dicke der Membran (10b), t eine Dicke des Verbindungsbauteils (7a) und A, B bzw. C bestimmte Konstanten darstellen.
21. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 20, worin T in
einem Bereich von 100 µm bis 3500 µm, t in einem
Bereich von 15 µm bis 150 µm, A in einem Bereich von 40
bis 45, B in einem Bereich von 15 bis 30 und C in einem
Bereich von -4×10-4 bis -2×10-4 liegt.
22. Druckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 20, worin die
Membran (10b) aus einem Material hergestellt ist, das
aus einem Covar-System-Material oder einem Fe-Ni-
System-Mmaterial ausgewählt ist.
23. Druckerfassungsvorrichtung mit einer Metallmembran (1b,
9b, 10b) zum Aufnehmen eines Drucks, mit einem
Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a), der an der Membran
(1b, 9b, 10b) durch ein Verbindungsbauteil (7, 7a)
angeordnet ist, und mit einem Dehnungsmeßwiderstand
(3a-3d), der an dem Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a)
angeordnet ist; worin
der Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter hergestellt ist, der eine zu der Oberflächenebene des Sensorchips (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) parallele <110<-Richtung aufweist;
entweder der Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) oder das Verbindungsbauteil eine polygonale Form mit einer Seite aufweist, die mit der <110<-Richtung einen bestimmten Winkel ausformt; und
der Dehnungsmeßwiderstand auf einer Achse angeordnet ist, die durch einen Mittelpunkt (O) des Sensorchips (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) parallel zu der <110<-Richtung verläuft.
der Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) aus einem Einkristallhalbleiter hergestellt ist, der eine zu der Oberflächenebene des Sensorchips (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) parallele <110<-Richtung aufweist;
entweder der Sensorchip (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) oder das Verbindungsbauteil eine polygonale Form mit einer Seite aufweist, die mit der <110<-Richtung einen bestimmten Winkel ausformt; und
der Dehnungsmeßwiderstand auf einer Achse angeordnet ist, die durch einen Mittelpunkt (O) des Sensorchips (2, 2a, 5, 6, 6a, 8, 8a) parallel zu der <110<-Richtung verläuft.
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