DE2844893A1 - SILICON BENDING PLATE WITH INTEGRATED PIEZORESISTIVE SEMICONDUCTOR EXTENSION MEASURING ELEMENTS - Google Patents
SILICON BENDING PLATE WITH INTEGRATED PIEZORESISTIVE SEMICONDUCTOR EXTENSION MEASURING ELEMENTSInfo
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Description
Silizium-Biegeplatte mit integrierten piezoresistiven Halbleiter-DehnmeßelementenSilicon bending plate with integrated piezoresistive semiconductor strain gauges
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.The invention relates to the arrangement of integrated piezoresistive semiconductor strain gauges on a circular Bending plate, which consists of monocrystalline silicon and has a rigid edge attachment and for intended for use in pressure transducers.
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 vierTo manufacture pressure transducers, piezoresistive resistors are integrated in silicon deformation bodies in a known manner used, whereby by doping the n- or p-conducting starting material ρ or η-conducting resistance tracks be created. The arrangement of the resistance tracks depends on the distribution of the mechanical Stress on the deformation body and when using crystal ^ orientations of the starting material with anisotropic Properties with regard to the piezoresistive effect selected depending on the crystal direction In general, it is customary to arrange resistance tracks in pairs radially and tangentially on circular bending plates. The integrated resistance tracks become one either through the doping regions themselves or through wire bridges Wheatstone bridge circuit connected to one another, the bridge branches alternating a positive and negative Have a change in resistance under mechanical stress. From DT-OS 2 123 690 is known resistor arrangements to use where the interconnection of all four
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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.Resistance tracks to a bridge circuit takes place through the doping. Due to the finite extent of the Resistance tracks are not arranged radially or tangentially on the circular bending plate, but in at an angle to it. The expansion elements lying radially and tangentially on the deformation body thus have different ones relative changes in resistance, creating an additional non-linearity of the output signal of the bridge circuit arises. In addition, the radially and tangentially arranged resistance tracks have different ones Geometry, which makes it difficult to achieve output voltage values from zero to the bridge in the unloaded state permit. In addition, the contact surfaces are on the integrated resistance tracks for connection to the terminal pins arranged directly on the bending plate by means of wire bridges, so that strong mechanical loads are caused by the bonding process occur on the contact surfaces, which is very annoying, especially with thinned bending plates.
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.The aim of the invention is to provide a silicon bending plate with integrated silicon strain gauges in a bridge circuit to create that does not have the aforementioned disadvantages and in which all bridge branches have an equal resistance in the unloaded state of the bending plate as well as have an equal sensitivity in terms of amount, so that a low Bridge output voltage in the unloaded state of the silicon bending plate and a good linearity of the output signal is achieved.
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.The invention is based on the object, proceeding from the known relationships with regard to the anisotropy of the piezoresistive Coefficients to create a geometric arrangement of the semiconductor expansion elements, the aim mentioned above achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf der Siliziura-Biegeplatte befindlichen radialen und tangentialen Halbleiter-Dehnmeßelemente auf unterschiedlichenThis object is achieved in that the on the Siliziura bending plate located radial and tangential semiconductor strain gauges on different
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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·The radii of the bending plate are arranged in pairs The bending plate has such a crystal orientation that anisotropy of the piezoresistive coefficients with respect to it the direction of the strain gauges in selected crystal axes »with the strain gauges in the vicinity of the Crystal axes are arranged that are perpendicular to each other, lie in the plane of the silicon bending plate and where the piezoresistive coefficient has a maximum transfer factor having·
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.In this way, the different changes in relative resistance that otherwise exist are radial and tangential Strain gauges balanced, by the outside of the chosen crystal axes on the anisotropic bending plate lying radial and tangential üehnmeßelemente as well as by the finite dimensions of the strain gauges and thus associated integral recording of the mechanical stresses arise.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Dehnmeßelementer 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·The inventive arrangement of the strain gauges r, which are part of a Wheatstone bridge circuit, has the same sensitivity in all four bridge branches and thus achieves a good linear relationship between the resistance changes in the bridge and the bridge output voltage.Since the bridge resistances also with regard to their geometry and thus also in its resistance value 7 are completely identical, the bridge output voltage in the unloaded state of the bending plate is very small · in an advantageous embodiment of the invention the silicon-bending plate has the crystal orientation (100). The semiconductor strain gauges are then arranged in pairs in the radial and tangential directions near the crystal axes (110) or (110)
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.The connection tracks with which the contacting of the integrated Semiconductor strain gauges are carried out on the attached edge of the bending plate and ensure in this way that during the process of bonding the connecting wires there is no mechanical stress on the bending plate is caused · This is particularly important with partially thinned bending plates.
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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.The four strain gauges are connected to one another in such a way that an open full bridge circuit is created into which a resistor network or another suitable compensation circuit is inserted. In an advantageous manner Compensation resistors are also integrated resistance tracks that sit on the bending plate and are aligned in this way are that, due to the anisotropy, the piezoresistive coefficients have a pressure transfer factor Have zero · The resistance of these resistance tracks is therefore independent of the pressure and can be advantageous for compensation the temperature error of the output signal can be used.
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.The mode of operation of the invention is as follows: If the silicon bending plate is subjected to a pressure, its Value is to be determined, the active area of the bending plate experiences a deformation, causing radial and tangential mechanical stress according to the theory for tightly clamped thin plates arise. In the one on the bending plate arranged strain gauges convert the aforementioned mechanical stresses into positive and negative changes in resistance reshaped. The four strain gauges form a bridge circuit whose output signals correspond to the input pressure is proportional. To achieve positive and negative relative changes in resistance of equal magnitude the radially and tangentially arranged strain gauges lie on different radii of the bending plate. The distance between the two radii is dimensioned so that due to the geometric arrangement of the strain gauges and the associated two-dimensional expansion of the existing different piezoresistive sensitivity radial and tangential strain gauges is compensated. The output voltage of the bridge is supplied by a measuring amplifier amplified to the desired output signal.
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nach-On the basis of an exemplary embodiment, the invention is intended to
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stehend näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:are explained in more detail below. The accompanying drawings show:
Fig. 1 : Einen Ausschnitt einer Silizium-Biegeplatte mit integrierten HalblexterdehnraeßelementenFig. 1: A section of a silicon bending plate with integrated semi-extensible expansion elements
Fig. 2 : Mögliche Lage von Brückenschaltungen mit Dehnmeßelementen auf dem aktiven Bereich der BiegeplatteFig. 2: Possible location of bridge circuits with strain gauges on the active area of the bending plate
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, 4f 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.As Fig. 1 shows, in the vicinity of the edge of the active area 2 of the silicon plate 1 in pairs tangential strain gauges 3, 4 and radial uehnmeßelemente 5, 6 are arranged, the tangential arrangement of the strain gauges 3, 4 being based on the center of the longitudinal extension * The starting material for the bending plate consists of monocrystalline silicon of the negative conductivity type with the crystal orientation (100), the crystal axes (llü) and (llü) running perpendicular to one another in the plane of the plate (FIG. 2). The integrated strain gauges are arranged in the vicinity of these crystal axes because of the anisotropy with regard to the piezoresistive effect that is present on the selected silicon plate. The strain gauges are produced by boron diffusion, so that p-conducting resistance tracks are created in the η-conducting starting material. The strain gages 3, 4, f 5, 6 are connected through contact windows 7 on the channels 8 to 13, the electrical connection of the strain gages with each other to an open position at a full-bridge circuit manufacture · (Fig. 1). A closed full-bridge circuit is created by inserting a suitable resistor network, not shown here, for temperature and non-linearity compensation. The interconnects 8 to 12 are led out to the attached edge of the bending plate 1, where they are conveniently arranged for the subsequent bonding without mechanical reaction on the active part 2 of the bending plate 1.
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