DE102022203983A1 - Pressure sensor and method for operating a pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Ein Drucksensor umfasst eine Membran, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem zu ermittelnden Druck ausgelenkt zu werden. Der Drucksensor umfasst weiter eine kapazitive Messeinrichtung mit einer Vielzahl von zu einer Wheatstone-Messbrücke verschalteten Messkapazitäten, wobei die Messeinrichtung derart angeordnet ist, dass eine Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke von der Auslenkung der Membran abhängt, und wobei die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke ein Messsignal zum Ermitteln des Druckes auszugeben. Weiter umfasst der Drucksensor mindestens eine Kompensationskapazität, welche parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten verschaltet oder schaltbar ist, um eine Temperaturabhängigkeit des Messsignals zu verringern.A pressure sensor comprises a membrane which is designed to be deflected depending on a pressure to be determined. The pressure sensor further comprises a capacitive measuring device with a plurality of measuring capacitances connected to a Wheatstone measuring bridge, the measuring device being arranged in such a way that a bridge voltage of the Wheatstone measuring bridge depends on the deflection of the membrane, and the measuring device being designed to do so as a function to output a measurement signal from the bridge voltage of the Wheatstone measuring bridge to determine the pressure. The pressure sensor further comprises at least one compensation capacitance, which is connected or can be switched in parallel to at least one of the measuring capacitances in order to reduce the temperature dependence of the measurement signal.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors.The present invention relates to a pressure sensor and a method for operating a pressure sensor.
Stand der TechnikState of the art
Zur Druckmessung sind miniaturisierte Sensoren bekannt, die auf MEMS (mikroelektromechanische Systeme)-Technologie basieren. Hierzu kann eine Membran in einen Rahmen eingespannt werden. Die Druckdifferenz zwischen einem Bereich oberhalb der Membran und einem Bereich unterhalb der Membran (etwa in einer Kaverne) führt zu einer Auslenkung der Membran. Kapazitive Drucksensoren wandeln diese Auslenkung über die Veränderung des Plattenabstandes zweier Elektroden in ein elektrisches Signal um.Miniaturized sensors based on MEMS (microelectromechanical systems) technology are known for pressure measurement. For this purpose, a membrane can be clamped into a frame. The pressure difference between an area above the membrane and an area below the membrane (e.g. in a cavern) leads to a deflection of the membrane. Capacitive pressure sensors convert this deflection into an electrical signal by changing the distance between the plates between two electrodes.
Auch wenn die Temperatur-Querabhängigkeit kapazitiver Drucksensoren viel geringer ist als diejenige piezoresistiver Drucksensoren, verbleibt dennoch weiterhin eine Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals. Eine Ursache besteht darin, dass das Elastizitätsmodul (E-Modul) des Membranmaterials temperaturabhängig ist. Das gleiche gilt für den Kaverneninnendruck. Weiter kann es zu Wechselwirkungen des kapazitiven Drucksensors mit der verwendeten Aufbau- und Verbindungstechnik kommen, was ebenfalls zu Temperaturabhängigkeiten führen kann.Even if the temperature cross-dependence of capacitive pressure sensors is much lower than that of piezoresistive pressure sensors, there still remains a temperature dependence of the sensor signal. One reason is that the modulus of elasticity (modulus of elasticity) of the membrane material is temperature-dependent. The same applies to the internal cavern pressure. Furthermore, the capacitive pressure sensor can interact with the construction and connection technology used, which can also lead to temperature dependencies.
Aus der
Temperaturkompensationsstrukturen können in das Drucksensorelement integriert werden oder als externe Schaltung, bestehend aus entsprechenden Widerstandsnetzwerken, ausgebildet werden. Temperaturabhängige Widerstände werden in einer Wheatstone-Messbrücke entsprechend verschaltet. In der
Für kapazitive Drucksensoren wird eine mögliche Temperaturkompensation über ein RC-Netzwerk in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung stellt einen Drucksensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.The invention provides a pressure sensor and a method for operating a pressure sensor with the features of the independent claims.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective subclaims.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach einen Drucksensor mit einer Membran, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem zu ermittelnden Druck ausgelenkt zu werden. Der Drucksensor umfasst weiter eine kapazitive Messeinrichtung mit einer Vielzahl von zu einer Wheatstone-Messbrücke verschalteten Messkapazitäten, wobei die Messeinrichtung derart angeordnet ist, dass eine Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke von der Auslenkung der Membran abhängt, und wobei die Messeinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke ein Messsignal zum Ermitteln des Druckes auszugeben. Weiter umfasst der Drucksensor mindestens eine Kompensationskapazität, welche parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten verschaltet oder schaltbar ist, um eine Temperaturabhängigkeit des Messsignals zu verringern.According to a first aspect, the invention therefore relates to a pressure sensor with a membrane which is designed to be deflected depending on a pressure to be determined. The pressure sensor further comprises a capacitive measuring device with a plurality of measuring capacitances connected to a Wheatstone measuring bridge, the measuring device being arranged in such a way that a bridge voltage of the Wheatstone measuring bridge depends on the deflection of the membrane, and the measuring device being designed to do so as a function to output a measurement signal from the bridge voltage of the Wheatstone measuring bridge to determine the pressure. The pressure sensor further comprises at least one compensation capacitance, which is connected or can be switched in parallel to at least one of the measuring capacitances in order to reduce the temperature dependence of the measurement signal.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors, wobei der Drucksensor eine Membran umfasst, welche in Abhängigkeit von einem zu ermittelnden Druck ausgelenkt wird, wobei der Drucksensor eine kapazitive Messeinrichtung mit einer Vielzahl von zu einer Wheatstone-Messbrücke verschalteten Messkapazitäten umfasst, wobei die Messeinrichtung derart angeordnet ist, dass eine Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke von der Auslenkung der Membran abhängt, wobei die Messeinrichtung in Abhängigkeit von der Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke ein Messsignal zum Ermitteln des Druckes ausgibt, und wobei der Drucksensor mindestens eine Kompensationskapazität aufweist, welche parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten schaltbar ist, um eine Temperaturabhängigkeit des Messsignals zu verringern. Eine Temperatur des Drucksensors wird ermittelt. Weiter wird die mindestens eine Kompensationskapazität in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur des Drucksensors parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten zu- oder abgeschaltet.According to a second aspect, the invention relates to a method for operating a pressure sensor, wherein the pressure sensor comprises a membrane which is deflected depending on a pressure to be determined, wherein the pressure sensor comprises a capacitive measuring device with a plurality of measuring capacitances connected to a Wheatstone measuring bridge , wherein the measuring device is arranged such that a bridge voltage of the Wheatstone measuring bridge depends on the deflection of the membrane, wherein the measuring device outputs a measuring signal for determining the pressure depending on the bridge voltage of the Wheatstone measuring bridge, and wherein the pressure sensor has at least one compensation capacity , which can be connected in parallel to at least one of the measuring capacitances in order to reduce the temperature dependence of the measuring signal. A temperature of the pressure sensor is determined. Furthermore, the at least one compensation capacitance is switched on or off in parallel with at least one of the measuring capacitances depending on the determined temperature of the pressure sensor.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung ermöglicht es, die Temperaturabhängigkeit bei der Messung von Drücken weiter zu reduzieren. Hierzu sind Kompensationskapazitäten vorgesehen, worunter Kapazitäten (z.B. Kondensatorstrukturen) verstanden werden, welche aufgrund einer speziell gewählten eigenen Temperaturabhängigkeit die Temperaturabhängigkeit der Messung insgesamt reduzieren oder bevorzugt eliminieren.The invention makes it possible to further reduce the temperature dependence when measuring pressures. For this purpose, compensation capacitances are provided, which are understood to be capacitances (e.g. capacitor structures) which reduce or preferably eliminate the overall temperature dependence of the measurement due to their own specifically selected temperature dependence.
Bevorzugt kann die Temperaturabhängigkeit des Drucksensors soweit reduziert werden, dass ein Ein-Temperatur-Abgleich ausreicht, um eine ausreichende Performance zu erreichen.Preferably, the temperature dependence of the pressure sensor can be reduced to such an extent that a single-temperature adjustment is sufficient to achieve sufficient performance.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors umfasst die mindestens eine Kompensationskapazität ein Dielektrikum mit temperaturabhängiger Permittivität.According to a further embodiment of the pressure sensor, the at least one compensation capacitance comprises a dielectric with temperature-dependent permittivity.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors werden ein Material und/oder Abmessungen des Dielektrikums derart gewählt, dass die Temperaturabhängigkeit des Messsignals aufgrund einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität der Kompensationskapazität verringert wird. Insbesondere können druckabhängige Beiträge kompensiert werden.According to a further embodiment of the pressure sensor, a material and/or dimensions of the dielectric are selected such that the temperature dependence of the measurement signal is reduced due to a temperature dependence of a capacitance of the compensation capacitance. In particular, pressure-dependent contributions can be compensated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors weist die Messeinrichtung eine Kaverne auf, in welcher ein Referenzdruck ausgebildet ist, wobei ein Wert des Referenzdrucks so gewählt ist, dass die Temperaturabhängigkeit des Messsignals weiter verringert wird. Insbesondere können druckunabhängige Beiträge kompensiert werden.According to a further embodiment of the pressure sensor, the measuring device has a cavity in which a reference pressure is formed, a value of the reference pressure being selected such that the temperature dependence of the measurement signal is further reduced. In particular, print-independent contributions can be compensated.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors sind die Membran und die mindestens eine Kompensationskapazität auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet. Der Drucksensor kann beispielweise eine MEMS-Struktur mit dem gemeinsamen Substrat und den darauf angeordneten Komponenten umfassen. Weiter umfasst der Drucksensor eine Auswerteschaltung, etwa eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Kompensationskapazitäten sind dabei auf der MEMS-Struktur angelegt, mit dem Vorteil einer sehr guten Temperaturanbindung an das zu kompensierende Element für statische, aber insbesondere auch dynamische Anwendungen bzw. Temperaturänderungen. Temperaturgradienten innerhalb des verpackten Sensors, d.h. mit MEMS und ASIC und gegebenenfalls weiteren Komponenten, spielen dann keine Rolle bzw. verschlechtern nicht die Performance.According to a further embodiment of the pressure sensor, the membrane and the at least one compensation capacitance are formed on a common substrate. The pressure sensor can, for example, comprise a MEMS structure with the common substrate and the components arranged thereon. The pressure sensor also includes an evaluation circuit, such as an application-specific integrated circuit (ASIC). The compensation capacities are applied to the MEMS structure, with the advantage of a very good temperature connection to the element to be compensated for static, but especially dynamic applications or temperature changes. Temperature gradients within the packaged sensor, i.e. with MEMS and ASIC and possibly other components, then play no role or do not worsen performance.
Wenn die Kompensationskapazitäten auf dem MEMS angelegt sind, können diese in einer Metallebene mit Metallleiterbahnen verschaltet sein. Um die optimale Kapazitätsgröße zur optimalen Kompensation zu erhalten, können die Metallleiterbahnen z.B. durch ein Laserablationsverfahren durchtrennt werden.If the compensation capacitances are applied to the MEMS, they can be connected to metal conductor tracks in a metal level. In order to obtain the optimal capacitance size for optimal compensation, the metal conductor tracks can be cut, for example, using a laser ablation process.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine Auswerteeinrichtung, etwa einen ASIC, welche dazu ausgebildet ist, aus dem Messsignal den zu messenden Druck zu ermitteln, wobei mindestens eine der mindestens einen Kompensationskapazität in die Auswerteeinrichtung integriert ist. Die Kompensationskapazitäten können somit extern zugeschaltet werden. Somit kann beispielsweise auf eine Schwankung des Kavernendrucks reagiert werden und die analoge Temperaturkompensation kann für jeden Drucksensor einzeln getrimmt werden.According to a further embodiment, the pressure sensor comprises an evaluation device, such as an ASIC, which is designed to determine the pressure to be measured from the measurement signal, with at least one of the at least one compensation capacitance being integrated into the evaluation device. The compensation capacities can therefore be switched on externally. This makes it possible, for example, to react to a fluctuation in the cavern pressure and the analog temperature compensation can be trimmed individually for each pressure sensor.
In der Auswerteeinrichtung können die Kompensationskapazitäten wahlweise hinzugeschalten werden, z.B. bei schnellen Temperaturänderungen im System, bei denen Temperaturgradienten zwischen einem Temperatursensor und dem MEMS zu Messfehler führen. Weiter können die Kompensationskapazitäten durch die Auswerteeinrichtung getrennt werden, um die Grundkapazität der Gesamtschaltung zu erniedrigen, was zu einem geringeren Rauschverhalten führt.The compensation capacities can be optionally switched on in the evaluation device, e.g. in the event of rapid temperature changes in the system, in which temperature gradients between a temperature sensor and the MEMS lead to measurement errors. Furthermore, the compensation capacitances can be separated by the evaluation device in order to reduce the basic capacity of the overall circuit, which leads to lower noise behavior.
Wenn die Kompensationskapazitäten auf dem ASIC angeordnet sind, können diese digital, z.B. durch Transmission Gates, so parallel verschaltet werden, dass sich die optimale Kapazitätsgröße zur optimalen Kompensation ergibt.If the compensation capacitances are arranged on the ASIC, they can be connected digitally, e.g. through transmission gates, in parallel so that the optimal capacitance size results in optimal compensation.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors kann eine temperaturabhängige Kompensationskapazität auf dem MEMS angelegt sein und eine weitere temperaturabhängige Kompensationskapazität, jedoch mit einem anderen Temperaturkoeffizienten, in der Auswerteschaltung, insbesondere im ASIC. Dies kann als Halb- oder Vollbrücke realisiert sein.According to a further embodiment of the pressure sensor, a temperature-dependent compensation capacitance can be applied to the MEMS and a further temperature-dependent compensation capacitance, but with a different temperature coefficient, in the evaluation circuit, in particular in the ASIC. This can be implemented as a half or full bridge.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Kompensationskapazität in Abhängigkeit von einer Temperatur des Drucksensors parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten zu- oder abzuschalten. Durch Abschalten der mindestens einen Kompensationskapazität kann das Rauschen der Messungen reduziert werden. Durch Zuschalten der mindestens einen Kompensationskapazität kann umgekehrt eine hohe Temperaturstabilität des Druckmesswertes erreicht werden.According to a further embodiment, the pressure sensor comprises a control device which is designed to switch the at least one compensation capacitance on or off in parallel to at least one of the measuring capacitances depending on a temperature of the pressure sensor. By switching off the at least one compensation capacitance, the noise of the measurements can be reduced. Conversely, by connecting the at least one compensation capacitor, a high temperature stability of the pressure measurement value can be achieved.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors liegen mehrere Kapazitätsstrukturen zur Auswahl vor und entsprechend kann die ideale Kapazitätsstruktur bei finalem Abgleich des Bauelementes ausgewählt werden.According to a further embodiment of the pressure sensor, there are several capacity structures to choose from and the ideal capacity structure can be selected accordingly during the final adjustment of the component.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die mindestens eine Kompensationskapazität parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten zyklisch (z.B. periodisch) zu- oder abzuschalten. Das zyklische Hinzu- und Wegschalten ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein geringes Rauschen sowie eine hohe Temperaturstabilität gewünscht sind. In dem kurzen Zeitraum des Umschaltens ändern sich im Allgemeinen weder Druck noch Temperatur, sodass auf Basis des temperaturstabilen Verhaltens mit Kompensationskapazitäten der rauschärmere Messwert ohne Kompensationskapazitäten korrigiert werden kann.According to a further embodiment of the pressure sensor, the control device is designed to cyclically (e.g. periodically) switch the at least one compensation capacitance on or off in parallel with at least one of the measuring capacitances. Cyclic switching on and off is particularly advantageous if low noise and high temperature stability are desired. During the short period of switching, neither pressure nor temperature generally changes, so that the lower-noise measured value can be corrected without compensation capacities based on the temperature-stable behavior with compensation capacities.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors umfassen die Messkapazitäten zwei druckabhängige Messkapazitäten und zwei druckunabhängige Messkapazitäten.According to a further embodiment of the pressure sensor, the measuring capacities include two pressure-dependent measuring capacities and two pressure-independent measuring capacities.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Drucksensors ist die Wheatstone-Messbrücke eine Halbbrücke. In diesem Fall kann die Anzahl der Messkapazitäten gleich zwei sein. Bevorzugt ist die Wheatstone-Messbrücke eine Vollbrücke ist. In diesem Fall sind vier Messkapazitäten vorgesehen.According to a further embodiment of the pressure sensor, the Wheatstone measuring bridge is a half bridge. In this case, the number of measuring capacitances can be equal to two. The Wheatstone measuring bridge is preferably a full bridge. In this case, four measuring capacities are provided.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:
-
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 ein schematisches Schaltbild zur Verwendung in einem Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
3 eine schematische Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
4 eine weitere schematische Querschnittsansicht des in3 gezeigten Drucksensors; -
5 eine schematische Draufsicht auf eine Kompensationskapazität zur Verwendung in einem Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
6 eine schematische Querschnittsansicht von Kompensationskapazitäten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
7 eine schematische Querschnittsansicht von Kompensationskapazitäten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; -
8 eine schematische Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und -
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Drucksensors gemäß einer Ausdrucksform der Erfindung.
-
1 a schematic block diagram of a pressure sensor according to an embodiment of the invention; -
2 a schematic circuit diagram for use in a pressure sensor according to an embodiment of the invention; -
3 a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to an embodiment of the invention; -
4 another schematic cross-sectional view of the in3 pressure sensor shown; -
5 a schematic top view of a compensation capacitance for use in a pressure sensor according to an embodiment of the invention; -
6 a schematic cross-sectional view of compensation capacitances according to an embodiment of the invention; -
7 a schematic cross-sectional view of compensation capacitances according to a further embodiment of the invention; -
8th a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to an embodiment of the invention; and -
9 a flowchart of a method for operating a pressure sensor according to an embodiment of the invention.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.In all figures, identical or functionally identical elements and devices are provided with the same reference numerals. The numbering of procedural steps is for clarity and is generally not intended to imply a specific chronological order. In particular, several process steps can be carried out simultaneously.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
Der Drucksensor 1 umfasst weiter eine kapazitive Messeinrichtung 3 mit einer Vielzahl von zu einer Wheatstone-Messbrücke 4 verschalteten Messkapazitäten 41 bis 4n, wobei n die Anzahl der Messkapazitäten 41 bis 4n bezeichnet. Beispielsweise ist n = 4 und die Wheatstone-Messbrücke 4 ist eine Vollbrücke. Die Messkapazitäten 41 bis 4n können zwei druckabhängige Messkapazitäten (Aktuatorkapazitäten) und zwei druckunabhängige Messkapazitäten (Referenzkapazitäten) umfassen. Alternativ ist n = 2 und die Wheatstone-Messbrücke 4 ist eine Halbbrücke.The pressure sensor 1 further comprises a
Die Messkapazitäten 41 bis 4n sind an oder in der Nähe der Membran 2 angeordnet, sodass eine Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke 4 von der Auslenkung der Membran 2 abhängt.The measuring
Die Messeinrichtung 3 erzeugt in Abhängigkeit von der Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke 4 ein Messsignal zum Ermitteln des Druckes und gibt dieses aus. Beispielweise kann die Messeinrichtung 3 den Wert der Brückenspannung selbst als Messsignal ausgeben.The measuring
Die Membran 2 und die kapazitive Messeinrichtung 3 können Teil eines MEMS-Bauteils sein.The
Weiter umfasst der Drucksensor 1 mindestens eine Kompensationskapazität 51 bis 5m, wobei m die Anzahl der Kompensationskapazitäten 51 bis 5m bezeichnet. In einer Ausführungsform ist genau eine Kompensationskapazität vorgesehen, d. h. es gilt m = 1. Die Kompensationskapazitäten 51 bis 5m können Einzelkapazitäten sein oder es kann sich um ein entsprechendes Kapazitätsnetzwerk handeln.The pressure sensor 1 further comprises at least one
Die Kompensationskapazitäten 51 bis 5m sind parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten 41 bis 4n verschaltet. Gemäß weiteren Ausführungsform können die Kompensationskapazitäten 51 bis 5m zugeschaltet werden.The compensation capacitances 51 to 5m are connected in parallel to at least one of the measuring
Die mindestens eine Kompensationskapazität 51 bis 5m umfasst elektrisch leitenden Komponenten mit einem dazwischen ausgebildeten Dielektrikum, welches eine temperaturabhängige Permittivität aufweist. Ein Material und/oder Abmessungen des Dielektrikums sind derart gewählt, dass die Temperaturabhängigkeit des Messsignals aufgrund einer Temperaturabhängigkeit einer Kapazität der Kompensationskapazität 51 bis 5m verringert wird. Dies wird im Folgenden näher erläutert.The at least one
Die Temperaturabhängigkeit pro Druckänderung lässt sich durch folgenden Parameter rawTCO beschreiben:
Hier bezeichnet für eine aus zwei Halbbrücken bestehende Vollbrücke die Größe dC die Differenz der Kapazitätswerte der beiden Halbbrücken.Here, for a full bridge consisting of two half-bridges, the size dC denotes the difference in the capacitance values of the two half-bridges.
Für den Fall eines Plattenkondensators als Kompensationskapazität 51 bis 5m ergibt sich die ideale Kapazitätsänderung des Plattenkondensators der Fläche A mit Anfangsspalt d und einer druckabhängigen Auslenkung k(T)·p bei dem externen Druck p wie folgt:
Dabei bezeichnet pcav den Kavernendruck (Referenzdruck) und Cideal die temperaturabhängige Kapazität.p cav denotes the cavern pressure (reference pressure) and C ideal denotes the temperature-dependent capacity.
Die Auslenkbarkeit k(T) ist in Abhängigkeit von der Membrangeometrie c, der Membrandicke t und dem E-Modul E durch folgende Formel gegeben:
Die Sensitivität sensitivity berechnet sich zu:
Somit ergibt sich für die Temperaturabhängigkeit pro Druck unter Ausnutzung der idealen Gasgleichung pV = nRT:
Dabei bezeichnen Cact,diel und Cref,diel die Kapazitätswerte der Dielektrika der druckabhängigen Messkapazitäten (Aktuatorkapazitäten) bzw. druckunabhängigen Messkapazitäten (Referenzkapazitäten).C act,diel and C ref,diel denote the capacitance values of the dielectrics of the pressure-dependent measuring capacities (actuator capacities) and pressure-independent measuring capacities (reference capacities), respectively.
Durch Umstellen erhält man:
Für kleine Drücke kann der p2-Term vernachlässigt werden, d. h. man linearisiert über den Druck p. Dann erhält man:
Umstellen nach Potenzen des Druckes p ergibt:
Material und Abmessungen des Dielektrikums der Kompensationskapazitäten 51 bis 5m können derart gewählt werden, dass eine Temperaturkompensation
Auf Basis der dann vorgegebenen Eigenschaften der Temperaturkompensation kann der erforderliche Kavernendruck berechnet werden, damit auch der druckkonstante Term der Temperaturabhängigkeit verschwindet:
Beispielsweise ergibt sich bei einer E-Modul-Erniedrigung von 0.1% pro Kelvin, der auf den Ursprungsspalt normierten Membranauslenkbarkeit von 1/50 kPa und 298 Kelvin für den Kavernendruck:
Für die relative Kapazitätstemperaturänderlichkeit ergibt sich:
Somit kann der Drucksensor 1 mithilfe der Temperatur-Kompensationskapazitäten 51 bis 5m und durch Wahl des Kavernendrucks temperaturstabil ausgelegt werden.The pressure sensor 1 can thus be designed to be temperature-stable using the
Als temperaturabhängige Dielektrika können anorganische Isolatoren verwendet werden, wie Siliziumnitrid, siliziumreiches Nitrid, Aluminiumnitrid oder Titanoxid. Diese Materialien können auch mit weiteren Elementen modifiziert werden können, wie z. B, Barium, Strontium, Blei oder Lanthan. Insbesondere Zirkon-Titanoxide weisen vorteilhafte temperaturabhängige Eigenschaften auf, da sich die Dielektrizitätszahl bei Piezo- bzw. Ferroelektrika nahe der Curie-Temperatur stark ändert.Inorganic insulators such as silicon nitride, silicon-rich nitride, aluminum nitride or titanium oxide can be used as temperature-dependent dielectrics. These materials can also be modified with other elements, such as: B, barium, strontium, lead or lanthanum. Zirconium titanium oxides in particular have advantageous temperature-dependent properties, since the permittivity of piezo or ferroelectrics changes significantly near the Curie temperature.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zunächst der Kavernendruck vorgegeben, der sich z.B. im Mittel über den Herstellprozess ergibt. Der Drucksensor 1 kann dann durch Wahl geeigneter Kompensationskapazitäten 51 bis 5m für bestimmte Arbeitspunkte optimiert werden, zum Beispiel für Raumdruck auf Meereshöhe.According to a further embodiment, the cavern pressure is initially specified, which results, for example, on average over the manufacturing process. The pressure sensor 1 can then be optimized for specific operating points by selecting
Das Messsignal wird von einer Auswerteeinrichtung 6 empfangen, beispielsweise einem ASIC, welche aus dem Messsignal den zu messenden Druck ermittelt.The measurement signal is received by an
Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens eine der mindestens einen Kompensationskapazität 51 bis 5m in die Auswerteeinrichtung 6 integriert. Weiter kann mindestens eine der mindestens einen Kompensationskapazität 51 bis 5m in das MEMS-Bauteil integriert sein. Gemäß einer Ausführungsform sind dabei sämtliche Kompensationskapazitäten 51 bis 5m in die Auswerteeinrichtung 6 integriert. Gemäß einer anderen Ausführungsformen sind sämtliche Kompensationskapazitäten 51 bis 5m in das MEMS-Bauteil integriert.According to one embodiment, at least one of the at least one
Weiter kann der Drucksensor 1 eine Steuereinrichtung 7 umfassen, welche die mindestens eine Kompensationskapazität 51 bis 5m parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten 41 bis 4n zyklisch zu- oder abschaltet. Das Zu- oder Abschalten kann in Abhängigkeit von einer Temperatur oder Temperaturänderung des Drucksensors 1 erfolgen. Dazu kann in dem Drucksensor 1 oder in der Nähe des Drucksensors ein (nicht gezeigter) Temperatursensor die Temperatur des Drucksensors 1 ermitteln und an die Steuereinrichtung 7 übertragen.Furthermore, the pressure sensor 1 can include a
Die Steuereinrichtung 7 kann in die Auswerteeinrichtung 6 integriert sein oder durch diese implementiert sein, etwa als ASIC.The
C2T(T) und C3T(T) können auch alternativ parallel zu C1 und C2 angeordnet sein.C2T(T) and C3T(T) can also alternatively be arranged parallel to C1 and C2.
Hierbei können trotz unterschiedlicher Dielektrizitätszahlen mittels Geometrieanpassung die Kapazitäten auf einen gleichen Kapazitätswert, z.B. bei 25°C, ausgelegt werden.Despite different dielectric constants, the capacitances can be designed to have the same capacitance value, for example at 25°C, by adjusting the geometry.
Das in
Bei weiteren Ausführungsformen sind mehr oder auch weniger dielektrische Schichten vorgesehen.In further embodiments, more or fewer dielectric layers are provided.
Durch eine Interdigitalstruktur wird eine hohe Spaltfläche zwischen den Elektroden 51, 52 erreicht, so dass sich, wie etwa auch in
Der Drucksensor 1 kann dabei einem der oben beschriebenen Drucksensoren 1, 1a, 1b entsprechen. Insbesondere umfasst der Drucksensor 1, 1a, 1b eine Membran 2, welche in Abhängigkeit von einem zu ermittelnden Druck ausgelenkt wird.The pressure sensor 1 can correspond to one of the
Der Drucksensor 1, 1a, 1b umfasst weiter eine kapazitive Messeinrichtung 3 mit einer Vielzahl von zu einer Wheatstone-Messbrücke 4 verschalteten Messkapazitäten 41 bis 4n, wobei die Messeinrichtung 3 derart angeordnet ist, dass eine Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke 4 von der Auslenkung der Membran 2 abhängt. Die Messeinrichtung 3 gibt in Abhängigkeit von der Brückenspannung der Wheatstone-Messbrücke ein Messsignal zum Ermitteln des Druckes aus. Der Druck kann beispielsweise durch eine oben beschriebene Auswerteeinrichtung 6 ermittelt werden.The
Der Drucksensor 1, 1a, 1b umfasst weiter mindestens eine Kompensationskapazität 51 bis 5n, welche parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten 41 bis 4n schaltbar ist, um eine Temperaturabhängigkeit des Messsignals zu verringern.The
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Temperatur des Drucksensors 1, 1a, 1b ermittelt. Der Drucksensor 1, 1a, 1b kann hierzu einen Temperatursensor aufweisen bzw. mit dem Temperatursensor gemeinsam angeordnet sein. Die Temperatur kann zuvor optional mit einer zuvor gemessenen Temperatur verglichen werden und es kann eine Temperaturdifferenz berechnet werden.In a first method step S1, a temperature of the
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird die mindestens eine Kompensationskapazität in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur des Drucksensors 1, 1a, 1b oder der Temperaturdifferenz parallel zu mindestens einer der Messkapazitäten zu- oder abgeschaltet. Dies kann etwa durch eine Steuereinrichtung 7 erfolgen, bei welcher es sich um die Auswerteeinrichtung 6 handeln kann oder welche in die Auswerteeinrichtung 6 integriert ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Drucksensors 1, 1a, 1b von extern in einem bestimmten Modus gesetzt wird, etwa einen Modus, in dem zyklisch zwischen zu- bzw. abgeschaltet gewechselt wird.In a second method step S2, the at least one compensation capacitance is switched on or off in parallel with at least one of the measuring capacitances depending on the determined temperature of the
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102018222712 A1 [0004]DE 102018222712 A1 [0004]
- US 5391951 A [0005]US 5391951 A [0005]
- US 4807477 A [0006]US 4807477 A [0006]
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| DE (1) | DE102022203983A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN119223497A (en) * | 2024-12-03 | 2024-12-31 | 锐马(福建)电气制造有限公司 | A plate offset compensation method for a MEMS capacitive pressure sensor |
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- 2022-04-25 DE DE102022203983.1A patent/DE102022203983A1/en active Pending
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