DE2549001A1

DE2549001A1 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE2549001A1
Application number: DE19752549001
Authority: DE
Inventors: Antonius Cornelis Maria Gieles; Jan Leendert Spoormaker
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-11-06
Filing date: 1975-11-03
Publication date: 1976-05-13
Also published as: NL7414459A; JPS5169678A; IT1048760B; FR2290658A1; SE7512278L

Description

Die Erfindung bezieht sich axif einen Druckaufnehmer mit einem druckempfindlichen Element aus monokristallinem Silizium, welches druckempfindliche Element eine Membran geringer Dicke aufweist und an der Aussenseite einen verdickten Rand hat, wobei in der Membran dolinungaempfindliche Widerstände angeordnet sind.

Ein derartiger bekannter Druckaufnehmer ist beispielsweise in der niederländischen Patentanmeldung 68.17089 beschrieben worden. Das druckempfindliche Element hat eine flache Membran; der verdickte Rand dient dazu, das druckempfindliche Element leicht befestigen υλχ können. Die Widerstände sind beispielsweise 609820/1012

PHN. 7796.

— 2 —

in eine Wheatstone-Briickenschaltung aufgenommen. Die Ausgangs spannung der Brücke kann beispielsweise einer .integrierten Schaltung zugeführt werden. Wenn die Membran verhältnismässig dick ist, wird die Ausgangsspannung ziemlich gut linear mit dem Druck verlaufen. Um eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen ist es jedoch erwünscht, die Membran möglichst dünn auszubilden. Dabei tritt jedoch eine starke Abweichung der gewünschten Linearität zwischen Druck und Ausgangs spannung auf.

Die Erfindung bezweckt nun, einen Druckaufnehmer mit einer grossen Empfindlichkeit zu schaffen, wobei der Zusammenhang zwischen Druck und Ausgangs— spannung dennoch ziemlich linear ist« Dazu weist nach der Erfindung die Membran einen starren Mittenteil auf, der als Verdickung ausgebildet ist, welche Verdickung einen Durchmesser in der Grössenordmmg von dem 0,5 bis 0,7-fa-chen des Innendurchmessers des verdickten Randes hat. Es hat sich herausgestellt, dass unter Anwendung dieser Massnahme bei einer Linearität besser als 15° die Dicke der Membran derart verringert werden kann, dass der· Druckaufnehmer eine h— bis 5mal gross ere Empfindlichkeit hat als bei Verwendung einer Membran ohne den starren Mittenteil. Andererseits ist bei gleicher Dicke der Membranen die Linearität beim Druck» aufnehmer nach der Erfindung wesentlich besser als beim bekannten Druckaufnehmer.

Es sei bemerkt, dass druckempfindliche Elemente 609820/ 1012

PHN. 7796.

— 3 —

mit einem verdickten Mittenteil an sich bei Beschleurii~ gungsmessern bekannt sind. Dabei ist im allgemeinen nicht von einer Membran die Rede (Sondern dex· verdickte Teil ist über Speichen mit einem Aussenring verbunden, Weiter wird beabsichtigt, ein auf Beschleunigungen, reagierendes Element zu erhalten und nicht die Linearität zu verbessern. Weiter weicht das Verhältnis des Durchmessers des Mitteiiteils zum Innendurchmesser dos verdickten Randes bei bekannten Ausbildungen von dein bei der Erfindung gewünschten Wert xtfesentlich ab.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung besteht die Membran aus einer epitaxialen Schicht, die auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen ist, in welchem Substr-at der verdickte Rand und der verdickte Mittenteil gebildet sind.

Der Druckaufrieliiner kann ein sehr günstiges Anwendungsgebiet finden bei Gasströmungsmessung, beispielsweise beim Messen der Eintrittsluft eines Verbrennungsmotors, Bei dieser Luftmengenmessung ist der Massenstrom zur absoluten Temperatur umgekehrt proportional. Um eine geeignete Anwendung des Druckaufnehmers zu erhalten muss dieser Temperatureinfluss dann auf irgendeine Weise ausgeglichen werden, was bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung geschieht wenn die dehnungsempfindlichen Widerstände durch Diffusion eines Akzeptors in einer η-leitenden epitaxialen Schicht gebildet sind, \'7obei die Diffusionskonzentration

B 0 9 R ? 0 / 1 η 1 ?

■if-- ■

25490Π1

PHN. 7796. 24-10-1975.

1 R in der Grössenordnung· von 5 x 10 Atome pro cm³ ist.

Piezowidersta.ndskoGffizient des p-leitenden Siliziums, aus dem die Widerstände bestehen, ist temperaturabhängig; es wurde gefunden, dass bei der genamiten Konzentration dieser Koeffizient zur absoluten Temperatur nahezu umgekehrt proportional ist in einem Temperaturbereich zwischen -4o°C bis + 120⁰C, so dass ein völliger Ausgleich stattfindet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden naher¹ beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein druckempfindliches Element gemäss der Linie 1-1 in Fig. 2,

Fig. 2 eine Draufsicht des druckempfindlichen Elementes.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Aus führungsf oriu eines druckempfindlichen Elementes nach der Erfindung dargestellt. Auf einem Substrat aus beispielsweise η-leitendem monokristallinem Silizium ist eine nleitcnde epitaxiale Schicht 5 angebracht. Im Substrat ist eine ringförmige Ausnehmung 1 gebildet, die bis zur epitaxialen Schicht weiterläuft. Die Ausnhemung 1 kann beispielsweise mit Hilfe von Funkenerosion gebildet sein. Dabei entsteht ein druckempfindliches Element mit einer dünnen Membran 2, einem verdickten Rand 3 und einem starren verdickten Mittenteil h. In der epitaxialon Schicht 5 sind dchmmgsempfindliche

609820/10 12

9 R 4 9 O η 1

pun. 7796. 2^-10-1975.

5 -

Widerstände 6 angeordnet, beispielsweise durch. Diffusion eines Akzeptors, vie Bor.

Die Widerstände 6 sind djann aus p-leitendem Silizium. Im Grunde könnte das Substrat und die epitaxiale Schicht jedoch auch aus p-leitendem Silizium bestehen, in das n~leiten.de Widerstände eindiffundiert sind oder die Widerstünde können mittels Ionenimplantation gebildet werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Musters dex· Widerstände 6, die entsprechend einer Wheatstone-Brücke geschaltet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Widerstände beieinander angeordnet, einer in der Nähe des verdickten Randes 3 und einer in der Nähe des Mittenteils h. Damit wird erreicht, dass die Krümmung dieser Widerstände beim Ausbiegen der Membran entgegengesetzt ist (der verdickte Rand 3 wird in einem Gehäuse fest angeordnet, der starre Mittenteil k bewegt sich mit der Membran).

Die epitaxiale Schicht ist mit einer elektrisch isolierenden .Schicht 7 aus beispielswei se Siliziumoxid bedeckt. Auf dieser Schicht sind Leiter 8 angeordnet, die in einer öffnung der isolierenden Schicht 7 bei 9 mit den Widerständen 5 elektrisch νerbundeη sind.

Von den Leitern 8 können elektrische \^rerbindungen zu nicht dargestellten elektronischen Schaltungselementen geführt werden.

609 8 20/1012

N. 7796.

2 5 49 O Π1 24-10-1975.

Das druckempfiiiclliclie Element kann in jedem beliebigen Gehäuse eingebaut werden. Wie bereits erwähnt, dient der verdickte Rand 3 dazu, eine günstige Verbindung im Gehäuse zu erhalten. An der Seite, an der sich die epitaxiale .Schicht befindet, kann im Gehäuse ein Vakuum vorhanden sein, während ein Gasoder Flüssigkeitsdruck auf die andere Seite wirkt. Das druckempfindliche Element kann jedoch auch bei Differenz druckmessung verwendet werden. Als Anwendungsbereich einer· Flüssigkeitsdruckmessung kann beispielsweise Blutdruckmessung genannt werden. Eine sehr günstige Anwendung bei Gasdruckmessung ist das Messen der Zuluft bei einem Verbrennungsmotor. Bei einer richtigen Dosierung von Zuluft und Kraftstoff wird eine günstige Verbrennung erhalten, während Luftverunreinigung vermieden wird.

Bei einer günstigen Ausführungsform hat das druckempfindliche Element einen Mittenteil 4 mit einem Aussenxhirchmesser von 0,5. mm und einen verdickten Rand 3 mit einem Innendurchmesser von 1 mm. Die Dicke der epitaxialen Schicht 5 beträgt 10 /um. Diese sehr geringe Dicke der Membran hat eine grosse Empfindlichkeit; mit dem starren Mittenteil h der gegebenen Bemessung wird erreicht, dass die Linearität des Druckes gegenüber der Ausgangs spannung der Wheatstone-Brücke kleiner ist als 0,5 fo.

Es ist günstig, insbesondere bei Messung von 6 0 9 8 2 0/1012

2 5 4 9 O η 1

PHN. 779^. 24-10-1975.

Luft für Verbrennungsmotoren, die Diffusionskonzentration der p-leitenden Widerstände 6 in der Grössenord-

1 ft
nung von 5·10 Atome pro cm³ statt des üblichen Wertes

10 zu wählen. Es wurde gefunden, dass dabei der Temperatureinfluss auf den Widerstandswert der absoluten Temperatur umgekehrt proportional ist. Da auch der Massenstrom der Luft der absoluten Temperatur umgekehrt proportional ist, brauchen bei der genannten Konzentration keine weiteren temperaturausgleichenden Massnahmen getroffen zu werden.

6098?0/1 01 ?

Claims

pun. 7796.

2549001 2^-10-1975. - 8 PATENTANSPRÜCHE .

1 λ Druckaufnehmer mit ein^m druckempfindlichen Element aus monokristallinem Silizium, welches druckempfindliche Element eine Membran geringer Dicke aufweist' und an der Aussenseite einen verdickten Rand hat, wobei in der Membran dehnungsempfindliche Widerstände angeordnet sind, dadux-ch gekennzeichnet, dass die Membran einen starren Mittenteil aufweist, der als Verdickung ausgebildet ist, welche Verdickung einen Durchmesser hat in der Grössenordnung von dem 0,5 bis O,7f"^achen des Innendurchmessers des verdickten Randes.
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran aus einer epltaxialen Schicht besteht, die auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen ist, in welchem Substrat der verdickte Rand und der, verdickte Mittenteil gebildet sind.

3· Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dehnungsempfindlichen Widerstände durch Diffusion eines Akzeptors in einer nleitenden epitaxialen Schicht gebildet sind, wobei die Diffusionskonzentration in der Grössenordnung von

18
5 x 10 Atome .pro cm³ ist.

609820/1012