DE2844893A1 - Silizium-biegeplatte mit integrierten piezoresistiven halbleiter-dehnmesselementen - Google Patents

Description

Silizium-Biegeplatte mit integrierten piezoresistiven Halbleiter-Dehnmeßelementen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Anordnung von integrierten piezoresistiven Halbleiter-Dehnmeßelementen auf einer kreisförmigen Biegeplatte, die aus einkristallinen Silizium besteht sowie eine starre Randbefestigung besitzt und für den Einsatz in Druckmeßumformern vorgesehen ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Herstellung von Druckmeßumformern werden in bekannter Weise integrierte piezoresistive Widerstände in Siliziumverformungskörpern eingesetzt, wobei durch Dotierung des n- bzw. p-leitenden Ausgangsmaterials ρ bzw. η-leitende Widerstandsbahnen geschaffen werden. Die Anordnung der Widerstandsbahnen wird in Abhängigkeit von der Verteilung der mechanischen Spannung auf dem Verformungskörper sowie bei Benutzung von Kristal^orientierungen des Ausgangsmaterials mit anisotropen Eigenschaften bezüglich des piezoresistiven Effektes in Abhängigkeit von der Kristallrichtung gewählt· Allgemein ist es üblich, Widerstandsbahnen auf kreisförmigen Biegeplatten paarweise radial und tangential anzuordnen. Die integrierten Widerstandsbahnen werden entweder durch die Dotierungsgebiete selbst oder durch Drahtbrücken zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung miteinander verbunden, wobei die Brückenzweige abwechselnd eine positive und negative Widerstandsänderung bei einer mechanischen Belastung besitzen. Aus der DT-OS 2 123 690 ist bekannt, Widerstandsanordnungen zu benutzen, bei denen die Zusammenschaltung aller vier

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Widerstandsbahnen zu einer Brückenschaltung durch die Dotierung erfolgt. Auf Grund der endlichen Ausdehnung der Widerstandsbahnen sind diese nicht radial bzw. tangential auf der kreisförmigen Biegeplatte angeordnet, sondern in einem Winkel dazu. Damit besitzen die radial und tangential auf dem Verformungskörper liegenden Dehnungselemente unterschiedliche relative Widerstandsänderungen, wodurch eine zusätzliche Nichtlinearität des Ausgangssignales der Brückenschaltung entsteht. Darüber hinaus besitzen die radial und tangential angeordneten Widerstandsbahnen eine unterschiedliche Geometrie, wodurch sich Ausgangsspannungswerte von Null der Brücke im unbelastetem Zustand nur schwer realisieren lassen. Außerdem sind die Kontaktflächen an den integrierten Widerstandsbahnen für die Verbindung mit den Anschluß stiften mittels Drahtbrücken direkt auf der Biegeplatte angeordnet, so daß durch den Bondprozeß starke mechanische Belastungen an den Kontaktflächen auftreten, was insbesondere bei verdünnten Biegeplatten sehr störend ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Siliziura-Biegeplatte mit integrierten Silizium-Dehnmeßelementen in Brückenschaltung zu schaffen, die vorgenannte Nachteile nicht aufweist und bei der alle Brückenzweige einen gleichgroßen Widerstand im unbelasteten Zustand der Biegeplatte sowie eine betragsmäßig gleichgroße Empfindlichkeit besitzen, so daß eine geringe Brückenausgangsspannung im unbelasteten Zustand der Silizium-Biegeplatte und eine gute Linearität des Ausgangssignals erreicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den bekannten Beziehungen in Bezug auf die Anisotropie der piezoresistiven Koeffizienten eine geometrische Anordnung der Halbleiter-Dehnraeßelemente zu schaffen, die o.g. Zielstellung erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf der Siliziura-Biegeplatte befindlichen radialen und tangentialen Halbleiter-Dehnmeßelemente auf unterschiedlichen

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Radien der Biegeplatte paarweise angeordnet sind· Die Biegeplatte hat eine solche Kristallorientierung, die eine Anisotropie der piezoresistiven Koeffizienten bezüglich der Richtung der Dehnmeßelemente in ausgewählten Kristallachsen besitzt» wobei die Dehnmeßelemente in der Nähe der Kristallachsen angeordnet sind, die senkrecht zueinander verlaufen, in der Ebene der Silizium-Biegeplatte liegen und bei denen der piezoresistive Koeffizient einen maximalen Übertragungsfaktor aufweist·

Auf diese Weise werden die sonst vorhandenen unterschiedlichen relativen Widerstandsänderungen der radialen und tangentialen Dehnmeßelemente ausgeglichen,, die durch die außerhalb der gewählten Kristallachsen auf der anisotropen Biegeplatte liegenden radialen und tangentialen üehnmeßelemente sowie durch die endlichen Ausdehnungen der Dehnmeßelemente und der damit verbundenen integralen Erfassung der mechanischen Spannungen entstehen.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Dehnmeßelemente_r die Bestandteil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung sind, besitzt somit eine gleichgroße Empfindlichkeit in allen vier Brückenzweigen und erreicht damit einen guten linearen Zusammenhang zwischen den Widerstandsänderungen in der Brücke und der Brückenausgangsspannung· Da die Brückenwiderstände auch hinsichtlich ihrer Geometrie und damit auch in ihrem⁷ Widerstandswert völlig identisch sind, ist die Brückenausgangsspannung im unbelasteten Zustand der Biegeplatte sehr klein· In Vorteilhafter Ausführung der Erfindung besitzt die Silizium-Biegeplatte die Kristallorientierung (100). Die Halbleiter-Dehnmeßelemente sind dann paarweise in radialer und tangentialer Richtung in der Nähe der Kristallachsen (110) bzw· (110) angeordnet·

Die Anschlußleitbahnen, mit denen die Kontaktierung der integrierten Halbleiter-Dehnmeßelemente erfolgt, sind an den befestigten Rand der Biegeplatte herausgeführt und gewährleisten auf diese Weise, daß bei Prozeß des Bondens der Anschlußdrähte keine mechanische Beanspruchung auf der Biegeplatte hervorgerufen wird· Das ist besonders bei partiell verdünnten Biegeplatten von Bedeutung.

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Die vier Dehnmeßelemente sind so miteinander verbunden, daß eine offene Vollbrückenschaltung entsteht, in die ein Widerstandsnetzwerk bzw« eine andere geeignete Kompensationsschaltung eingefügt ist. In vorteilhafter Weise sind Kompensationswiderstände ebenfalls integrierte Widerstandsbahnen, die auf der Biegeplatte sitzen und so ausgerichtet sind, daß, bedingt durch die Anisotropie, die piezoresistiven Koeffizienten einen Druckübertragungsfaktor Null haben· Der Widerstand dieser Widerstandsbahnen ist damit durckunabhängig und kann vorteilhaft für die Kompensation des Temperaturfehlers des Ausgangssignals verwendet werden.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende: Wird die Silizium-Biegeplatte einem Druck ausgesetzt, dessen Wert bestimmt werden soll, so erfährt der aktive Bereich der Biegeplatte eine Verformung, wodurch radiale und tangentiale mechanische Spannung nach der Theorie für festeingespannte dünne Platten entstehen. In den auf der Biegeplatte angeordneten Dehnmeßelementen werden die vorgenannten mechanischen Spannungen in positive und negative Widerstandsänderungen umgeformt. Die vier Dehnmeßelemente bilden eine Brückenschaltung deren Ausgangssignale dem Eingangsdruck proportional ist. Zur Erzielung betragsmäßig gleichgroßer positiver und negativer relativer Widerstandsänderungen liegen die radial und tangential angeordneten Dehnmeßelemente auf verschiedenen Radien der Biegeplatte. Der Abstand zwischen den beiden Radien ist so dimensioniert, daß die auf Grund der geometrischen Anordnung der Dehnmeßelemente und der damit verbundenen flächenhaften Ausdehnung vorhandene unterschiedliche piezoresistive Empfindlichkeit der radialen und tangentialen Dehnmeßelemente ausgeglichen wird. Oie Ausgangsspannung der Brücke wird über Meßverstärker auf das gewünschte Ausgangssignal verstärkt.

Ausführunqsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nach-

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stehend näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 : Einen Ausschnitt einer Silizium-Biegeplatte mit integrierten Halblexterdehnraeßelementen

Fig. 2 : Mögliche Lage von Brückenschaltungen mit Dehnmeßelementen auf dem aktiven Bereich der Biegeplatte

Wie Fig. 1 zeigt, sind in der Nähe des Randes des aktiven Bereiches 2 der Siliziunplatte 1 paarweise tangentiale Dehnmeßelemente 3, 4 und radiale uehnmeßelemente 5, 6 angeordnet, wobei sich die tangentiale Anordnung der Dehnmeßelemente 3,4 auf deren Mittelpunkt der Längsausdehnung bezieht* Das Ausgangsmaterial für die Biegeplatte besteht aus einkristallinem Silizium vom negativen Leitungstyp mit der Kristallorientierung (100), wobei in der Ebene der Platte die Kristallachsen (llü) und (llü) senkrecht zueinander verlaufen (Fig. 2). In der Nähe dieser Kristallachsen sind die integrierten Dehnmeßelemente wegen der auf der gewählten Siliziumplatte vorhandenen Anisotropie bezüglich des piezoresistiven Effektes angeordnet. Die Herstellung der Dehnmeßelemente erfolgt durch eine Bor-Diffusion, so daß in dem η-Leitenden Ausgangsmaterial pleitende Widerstandsbahnen entstehen. Die Dehnmeßelemente 3, 4_f 5, 6 sind durch Kontaktfenster 7 an die Leitbahnen 8 bis 13 angeschlossen, die die elektrische Verbindung der Dehnmeßelemente untereinander zu einer an einer Stelle offenen Vollbrücken· schaltung herstellen (Fig. 1). Durch Einfügen eines geeigneten, hier nicht dargestellten Widerstandsnetzwerkes zur Temperatur- und Nichtlinearitätskompensation entsteht eine geschlossene Vollbrückenschaltung. Die Leitbahnen 8 bis 12 sind an den befestigten Rand der Biegeplatte 1 herausgeführt, wo sie günstig für das sich anschließende Bonden ohne mechanische Rückwirkung auf den aktiven Teil 2 der Biegeplatte 1 angeordnet sind.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   Kreisförmige Biegeplatte vorzugsweise für Druckmeßumformer aus einkristallinem Silizium, die am Rand fest mit einem Gegenkörper verbunden ist und im aktiven Bereich integrierte piezoresistive Dehnmeßelemente besitzt, wobei die Dehnmeßelemente aus p-leitenden Widerstandsbahnen bestehen und auf einer Silizium-Platte mit einer Kristallorientierung, die eine Anisotropie der piezoresistiven Koeffizienten bezüglich ihrer Richtung zu ausgewählten Kristallachsen besitzt, paarweise in radialer und tangentialer Richtung in der Nähe der in der Ebene der Silizium-Platte liegenden und zueinander senkrecht verlaufenden Kristallachsen, bei denen der piezoresistive Koeffizient einen maximalen Übertragungsfaktor besitzt, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Anisotropie auf der Silizium-Platte, die radial und tangential angeordneten Dehnmeßelemente auf unterschiedlichen Radien der Biegeplatte angeordnet sind, so daß die bei Druck entstehenden Widerstandsänderungen in ihrem Betrag gleich, jedoch in ihrem Vorzeichen unterschiedlich sind.
2. 2. Kreisförmige Biegeplatte nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Platte die Kristallorientierung (100) besitzt und die Oehnmeßelemente in radialer und tangentialer Richtung in der Nähe der Achsen (110) bzw. (110) angeordnet sind.
3. 3. Kreisförmige Biegeplatte nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnmeßelemente, die Bestandteil der Wheatstoneschen Brückenschaltung sind, hinsichtlich ihrer Geometrie und damit hinsichtlich ihres Widerstandewertes völlig identisch sind.
4. 4. Kreisförmige Biegeplate nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitbahnen, mit denen die Kontaktierung der integrierten Halbleiter-Dehnmeßelemente erfolgt, an den befestigten Rand der Biegeplatte herausgeführt sind.

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5. 5. Kreisförmige Biegeplatte nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet« daß die vier integrierten Dehnmeßelemente so verbunden sind, daß eine offene Vollbrückenschaltung entsteht, und daß in die Brückenschaltung ein Widerstandsnetzwerk oder eine andere geeignete Kompensationsschaltung eingefügt ist·

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