DE19957556A1

DE19957556A1 - Semiconductor pressure sensor and measuring device for measuring differential pressure on sensor

Info

Publication number: DE19957556A1
Application number: DE1999157556
Authority: DE
Inventors: Joerg Muchow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2001-05-31
Also published as: DE10083868D2; WO2001040751A1

Abstract

The pressure sensor (1) includes a frame (2) which is at least partly formed of a semiconductor material. A membrane (3) is held in the frame. A measurement resistor (5) is arranged at a first location in or on the membrane (3). The resistor value is dependent on the deformation of the membrane. A compensation resistor (7) is arranged at a second location on or in the membrane. The resistance of this is also dependent on the deformation of the membrane. A measuring arrangement measures the absolute and/or differential pressure on the sensor. The change in electric resistance of the measurement resistor (5) is determined and the change in electric resistance of the compensation resistor (7) is also determined.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor und einer Meßanordnung zur Messung des Differenzdrucks, dem eine Membran des Drucksensors ausgesetzt ist, insbesondere für den Niederdruckbereich, nach der Gattung des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs.The invention is based on a pressure sensor and a Measuring arrangement for measuring the differential pressure that a membrane the pressure sensor is exposed, especially for the Low pressure range, according to the genus of each independent claim.

Aus der DE 197 01 055 A1 ist ein mikromechanischer Halbleiter- Drucksensor bekannt, der einen Rahmen aus einem Halbleitersubstrat und eine auf dem Rahmen angeordnete Membran aufweist. Auf der Membran sind vier piezoresistive Meßwiderstände angebracht, die bei einer Deformation der Membran bzw. der Widerstände (infolge eines Differenzdrucks zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran) ihren Widerstandswert ändern. Jeweils zwei der vier Widerstände liegen parallel zueinander in der Nähe der Mitten der Begrenzungslinien der Membran. Ferner weist der Drucksensor vier Kompensationswiderstände auf, wovon jeweils zwei parallel zueinander und senkrecht zu den Meßwiderständen auf dem Rahmen des Drucksensors angeordnet sind. Alle Widerstände bilden eine in bezug auf eine vorliegende Temperaturhysterese kompensierte Wheatstonesche Meßbrücke, wobei deren Ausgangssignale an einander diagonal gegenüberliegenden Ecken des Sensors abgegriffen werden. Jeder Meßwiderstand in der Wheatstoneschen Meßbrücke erfährt durch einen ihm zugeordneten Kompensationswiderstand seinen individuellen Hystereseausgleich.DE 197 01 055 A1 describes a micromechanical semiconductor Pressure sensor known that a frame from a Semiconductor substrate and a membrane arranged on the frame having. There are four piezoresistive ones on the membrane Measuring resistors attached to the deformation of the Diaphragm or the resistors (due to a differential pressure between the top and bottom of the membrane) Change resistance value. Two of the four resistors each are parallel to each other near the centers of the Boundary lines of the membrane. Furthermore, the pressure sensor four compensation resistors, two of which are in parallel to each other and perpendicular to the measuring resistors on the frame of the pressure sensor are arranged. All resistors form one compensated for an existing temperature hysteresis Wheatstone measuring bridge, the output signals of which diagonally opposite corners of the sensor be tapped. Every measuring resistor in the Wheatstone Measuring bridge experiences through one assigned to it Compensation resistance its individual Hysteresis compensation.

Die Ausgangsspannung der Meßbrücke als Funktion des Differenzdrucks zwischen den beiden Seiten der Membran zeigt insbesondere bei der Messung geringer Differenzdrücke eine unerwünschte Nichtlinearität.The output voltage of the measuring bridge as a function of Differential pressure between the two sides of the membrane shows especially when measuring low differential pressures undesirable non-linearity.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die unerwünschte Nichtlinearität, insbesondere bei geringen Differenzdrücken und/oder bei Messungen im Niederdruckbereich, kompensiert wird, wodurch mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor Druckmessungen präzise und kostengünstig durchgeführt werden können. Ein Beispiel einer Messung von geringen Differenzdrücken ist eine Situation bei der auf der einen Seite der Membran des Sensors ein Druck lastet, der zwischen 0 und 50 mbar höher ist, als der Druck auf der anderen Seite der Membran.The pressure sensor according to the invention with the characteristic Features of claim 1 has the advantage that the undesirable non-linearity, especially with low Differential pressures and / or for measurements in the low pressure range, is compensated, whereby with the invention Pressure sensor pressure measurements precise and inexpensive can be carried out. An example of a measurement of low differential pressure is a situation in which on the one side of the membrane of the sensor is under pressure that is between 0 and 50 mbar higher than the pressure on the other side of the membrane.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, auf der Membran vier Meßwiderstände anzuordnen, welche als Wheatstonesche Meßbrücke verschaltet sind und das Ausgangssignal dieser Wheatstoneschen Meßbrücke mit dem Ausgangssignal einer weiteren Wheatstoneschen Meßbrücke zu kompensieren, wobei die weitere Wheatstonesche Meßbrücke, eine sogenannte Kompensationsbrücke, durch zwei in der Membran vorgesehene Kompensationswiderstände und zwei in dem Rahmen des Sensors angeordnete Rahmenwiderstände gebildet wird.Through the measures listed in the dependent claims are advantageous further developments and improvements in Claim 1 specified pressure sensor possible. Especially It is advantageous to have four measuring resistors on the membrane to arrange, which interconnects as a Wheatstone measuring bridge and the output signal of this Wheatstone bridge with the output signal of another Wheatstone To compensate for the measuring bridge, the further Wheatstone Measuring bridge, a so-called compensation bridge, by two in compensation resistors and two in Frame resistors arranged on the frame of the sensor are formed becomes.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es von Vorteil, die Meßwiderstände jeweils an einem solchen Ort der Membran vorzusehen, der eine weitgehend maximale longitudinale und vorzugsweise auch maximale transversale Biegespannung der Membran erfährt, wodurch eine weitgehend maximale Widerstandsänderung herbeigeführt wird. Im Niederdruckbereich zeigt eine solche aus den Meßwiderständen gebildete Wheatstonesche Meßbrücke eine Nichtlinearität als Funktion des Drucks von etwa 1 bis 2 Prozent.To increase sensitivity, it is advantageous to Measuring resistors each at such a location on the membrane to provide a largely maximum longitudinal and preferably also maximum transverse bending stress Membrane experiences a largely maximum Resistance change is brought about. In the low pressure range shows such a formed from the measuring resistors Wheatstone bridge a nonlinearity as a function of Pressure of about 1 to 2 percent.

Zur Verminderung der Nichtlinearität ist es vorteilhaft, die auf der Membran vorgesehenen Kompensationswiderstände jeweils an einem solchen Ort der Membran vorzusehen, der eine weitgehend minimale longitudinale und vorzugsweise auch minimale transversale Biegespannung der Membran aufweist. An einem solchen Ort wirkt weitgehend lediglich die Membranspannung der Membran auf den betreffenden Kompensationswiderstand. Werden die an diesen Orten der Membran vorgesehenen Kompensationswiderstände mit den auf dem Rahmen des Sensors vorgesehenen Rahmenwiderständen zu einer Kompensationsbrücke verschaltet, so zeigt das Ausgangssignal der Kompensationsbrücke als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran eine weitgehend nichtlineare Abhängigkeit, insbesondere eine weitgehend quadratische Abhängigkeit, vom Differenzdruck.To reduce non-linearity, it is advantageous to compensation resistances provided on the membrane in each case to provide in such a location of the membrane, the one largely minimal longitudinal and preferably also has minimal transverse bending stress of the membrane. On in such a place only the works Membrane tension of the membrane on the concerned Compensation resistance. Will those in these places Compensation resistances provided with the membrane on the Frame resistors provided frame resistances to a Compensation bridge interconnected, so the output signal shows the compensation bridge as a function of differential pressure largely between the two sides of the membrane nonlinear dependency, especially a largely quadratic dependence, on the differential pressure.

Da auch das Ausgangssignal der aus den Meßwiderständen gebildeten Wheatstoneschen Meßbrücke ein nichtlineares, insbesondere quadratisches Abhängigkeitsverhältnis vom Differenzdruck zeigt, kann das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Meßbrücke durch das Ausgangssignal der Kompensationsbrücke unmittelbar oder mittelbar nach einer Umwandlung der jeweiligen Ausgangssignale in eine andere elektrische Größe, wie zum Beispiel ein elektrischer Strom, kompensiert werden. Durch einen entsprechenden Abgriff der Ausgangsspannung der Kompensationsbrücke erhält man eine Spannung als Funktion des Differenzdrucks, die ein umgekehrtes Vorzeichen in bezug auf die Ausgangsspannung der Wheatstoneschen Meßbrücke aufweist. Hierdurch läßt sich die Kompensation der quadratischen Abhängigkeit der Ausgangsspannung der Wheatstonesche Meßbrücke in technisch besonders einfacher Weise realisieren, worauf nachfolgend noch näher eingegangen werden wird.Since also the output signal from the measuring resistors Wheatstone measuring bridge formed a non-linear, in particular quadratic dependency ratio on Differential pressure shows, the output signal of the Wheatstone measuring bridge by the output signal of the Compensation bridge immediately or indirectly after a Conversion of the respective output signals into another electrical quantity, such as an electrical current, be compensated. By a corresponding tap of the An output voltage of the compensation bridge is obtained Voltage as a function of differential pressure, which is an inverse Sign in relation to the output voltage of the Wheatstone measuring bridge. This allows the Compensation of the quadratic dependence of the Output voltage of the Wheatstone measuring bridge in technical realize in a particularly simple manner, what follows will be discussed in more detail.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kompensation durch Subtraktion der jeweils in elektrische Ströme umgewandelten Ausgangsspannungen der Wheatstoneschen Meßbrücke und der Kompensationsbrücke. Hierzu wird das Ausgangssignal der Wheatstoneschen Meßbrücke, eine druckabhängige elektrische Spannung, einem ersten Spannungs-/Strom wandler (UI-Wandler) zugeführt und das Ausgangssignal der Kompensationsbrücke, ebenfalls eine druckabhängige elektrische Spannung, einem zweiten Spannungs-/Stromwandler. Die von den zwei UI-Wandlern erzeugten Ströme weisen ein umgekehrtes Vorzeichen auf und durch die Subtraktion der zwei elektrischen Ströme ergibt sich ein resultierender elektrischer Strom, dessen Stromstärke einen weitgehend linearen Verlauf als Funktion des Drucks zeigt.In a preferred embodiment, the Compensation by subtracting each into electrical Currents converted output voltages of Wheatstone Measuring bridge and the compensation bridge. For this, the Output signal from the Wheatstone measuring bridge, one pressure-dependent electrical voltage, a first voltage / current converter (UI converter) and the output signal the compensation bridge, also a pressure-dependent one electrical voltage, a second voltage / current converter. The currents generated by the two UI converters have a reverse sign on and by subtracting the two resulting electrical currents electrical current, the amperage of which largely shows linear course as a function of pressure.

Zur weiteren Verbesserung der Linearität des erfindungsgemäßen Drucksensors, ist bei einer erfindungsgemäßen Meßanordnung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Drucksensors vorgesehen, das Ausgangssignal der Kompensationsbrücke bzw. eine dem Ausgangssignal der Kompensationsbrücke entsprechende elektrische Größe, wie insbesondere ein zum Ausgangssignal bzw. zur Ausgangsspannung proportionaler elektrischer Strom, zu verstärken und die verstärkte elektrische Größe zur Kompensation der Nichtlinearität der Wheatstoneschen Meßbrücke zu verwenden.To further improve the linearity of the invention Pressure sensor, is in a measuring arrangement according to the invention using a pressure sensor according to the invention provided the output signal of the compensation bridge or one corresponding to the output signal of the compensation bridge electrical quantity, such as, in particular, an output signal or electrical current proportional to the output voltage, to reinforce and the increased electrical size for Compensation for the non-linearity of the Wheatstone bridge to use.

Bevorzugt erfolgt die Verstärkung des Ausgangssignals der Kompensationsbrücke bzw. der diesem Signal adäquaten elektrischen Größe um einen solchen Faktor, daß das durch die verstärkte elektrische Größe kompensierte Ausgangssignal der Wheatstoneschen Meßbrücke (bzw. der diesem Ausgangssignal adäquaten elektrischen Größe) ein weitgehend lineares Verhalten zeigt. Es versteht sich, daß die aus dem nichtlinearen Ausgangssignal der Kompensationsbrücke gebildete und zur Kompensation herangezogene elektrische Größe nicht zu stark zu verstärken ist, um eine Überkompensation und eine hieraus resultierende Nichtlinearität zu vermeiden.The output signal is preferably amplified Compensation bridge or the adequate for this signal electrical quantity by such a factor that that by the amplified electrical quantity compensated output signal of the Wheatstone measuring bridge (or this output signal adequate electrical size) a largely linear Behavior shows. It is understood that the from the non-linear output signal of the compensation bridge and the electrical quantity used for compensation does not increase is to be strongly amplified to overcompensation and to avoid resulting non-linearity.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn der Rahmen des Drucksensors und vorzugsweise auch die Membran des Drucksensors ganz oder teilweise durch Silizium gebildet wird, da dieses Material die Integration von Sensorelement und Meßanordnung bzw. Auswerteelektronik auf einem Chip ermöglicht.Furthermore, it is particularly advantageous if the frame of the Pressure sensor and preferably also the membrane of the Pressure sensor is wholly or partly formed by silicon, because this material the integration of sensor element and Measuring arrangement or evaluation electronics on a chip enables.

Schließlich ist es noch besonders vorteilhaft, den Rahmen und die Membran aus einem Silizium-Substrat herzustellen, das in einer (100)-Orientierung verwendet wird. Hierdurch läßt sich die Membran in einfacher Weise durch Ätzen des Silizium- Substrats mit einer Kaliumhydroxidätze herstellen. Zuden weist ein Silizium-Substrat mit dieser Orientierung zwei [011]- Richtungen in der Substratoberfläche auf, in denen die Leitfähigkeit besonders empfindlich auf die Deformation der Membran reagiert. Bevorzugt werden die Meßwiderstände und die Kompensationswiderstände durch lokal dotierte Bereiche in der Membran bzw. im Rahmen gebildet.Finally, it is particularly advantageous to the frame and to manufacture the membrane from a silicon substrate, which in a (100) orientation is used. This allows the membrane in a simple manner by etching the silicon Prepare the substrate with a potassium hydroxide etch. Zuden points a silicon substrate with this orientation two [011] - Directions in the substrate surface in which the Conductivity particularly sensitive to the deformation of the Membrane reacts. The measuring resistors and the Compensation resistances through locally doped areas in the Membrane or formed in the frame.

Zur Reduzierung der Stromaufnahme des erfindungsgemäßen Drucksensors ist es besonders vorteilhaft, wenn die Meßwiderstände und/oder die Kompensationswiderstände einen elektrischen Widerstand aufweisen, der größer als 1 kΩ ist.To reduce the current consumption of the invention It is particularly advantageous if the pressure sensor Measuring resistors and / or the compensation resistors one have electrical resistance that is greater than 1 kΩ.

drawings

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von nicht notwendigerweise maßstäblichen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Schichten oder Teile bezeichnen. Es zeigen:The invention is not based on necessarily detailed drawings, the same reference numerals being the same or having the same effect Denote layers or parts. Show it:

Fig. 1 eine Darstellung des Prinzips eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors mit einer Membran - in Draufsicht; Figure 1 is a representation of the principle of a semiconductor pressure sensor according to the invention with a membrane - in plan view.

Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors - in Draufsicht; Figure 2 shows a preferred embodiment of a semiconductor pressure sensor according to the invention - in plan view;

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensor der Fig. 2 entlang der Schnittlinie A-B der Fig. 2 - im Querschnitt; und Fig. 3 is the semiconductor pressure sensor according to the invention of Figure 2 taken along section line AB of Figure 2 - in cross section..; and

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung anhand der das erfindungsgemäße Abgleichkonzept unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors näher erläutert wird. FIG. 4 shows a block diagram of a compensation circuit according to the invention, on the basis of which the adjustment concept according to the invention is explained in more detail using a semiconductor pressure sensor according to the invention.

description

Der in Fig. 1 in einer Prinzip-Darstellung abgebildete Halbleiter-Drucksensor 1 weist einen aus einem Silizium- Substrat gebildeten Rahmen 2 und eine vom Rahmen an dessen Deckfläche gehaltene Membran 3 auf.The semiconductor pressure sensor 1 shown in a basic illustration in FIG. 1 has a frame 2 formed from a silicon substrate and a membrane 3 held by the frame on its top surface.

Der Rahmen 2 und die Membran 3 werden aus einem Silizium- Substrat durch Maskierung und nachfolgende Ätzung der Rückseite des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors 1 gebildet. Vorzugsweise wird eine Kaliumhydroxid-Ätze (KOH-Ätze) zur Herstellung einer sich in Richtung auf die Unterseite der Membran 3 verjüngenden pyramidenstumpfförmigen Aussparung mit trapezförmigem Querschnitt verwendet - zur Aussparung vgl. die Aussparung 41 in Fig. 3. Die pyramidenstumpfförmige Aussparung unterhalb der Membran 3 ergibt sich bei der bevorzugten Verwendung eines Silizium-Substrats, das eine (100)- Orientierung aufweist, weil eine KOH-Ätze unterschiedliche Ätzraten in der [100]- und der [110]-Kristall-Richtung von Silizium zeigt.The frame 2 and the membrane 3 are formed from a silicon substrate by masking and then etching the back of the pressure sensor 1 shown in FIG. 1. A potassium hydroxide etching (KOH etching) is preferably used to produce a truncated pyramid-shaped recess with a trapezoidal cross-section tapering towards the underside of the membrane 3 - for the recess see. the recess 41 in FIG. 3. The truncated pyramid-shaped recess below the membrane 3 results in the preferred use of a silicon substrate which has a (100) orientation, because a KOH etching has different etching rates in the [100] and the [110] crystal direction of silicon shows.

Die bevorzugt rechteckige Membran 3, die in Fig. 1 durch ein Quadrat mit gestricheltem Umriß bzw. Membrankanten dargestellt ist, weist typischerweise eine Dicke von ca. 5 bis 80 µm auf. Eine Membrankante "trennt" den Rahmen 2 von der Membran 3.The preferably rectangular membrane 3 , which is represented in FIG. 1 by a square with a dashed outline or membrane edges, typically has a thickness of approximately 5 to 80 μm. A membrane edge "separates" the frame 2 from the membrane 3 .

Es versteht sich, daß die Membran in Abhängigkeit von dem konkreten Einsatzzweck eines erfindungsgemäßen Drucksensors auch dünner oder dicker sein kann. Ebenso ist es möglich die erfindungsgemäßen Konzepte auf Membranen anzuwenden, die Bereiche mit unterschiedlicher Dicke aufweisen. Beispiele solcher Membranen sind Membranen mit biegesteifem Zentrum (sogenannte Boss-Membranen) und/oder mit biegesteifen Randbereichen. Ferner kann es zweckmäßig sein einen erfindungsgemäßen Drucksensor zu verwenden, der eine Membran aufweist, die einen anderen Umriß hat.It is understood that the membrane depending on the concrete application of a pressure sensor according to the invention can also be thinner or thicker. It is also possible concepts of the invention to apply to membranes Have areas of different thickness. Examples such membranes are membranes with a rigid center (so-called boss membranes) and / or with rigid Marginal areas. Furthermore, it can be useful to use pressure sensor according to the invention, the membrane has a different outline.

Die erfindungsgemäße Membran 3 gemäß Fig. 1 weist einen Meßwiderstand 5, einen Kompensationswiderstand 7, einen Meßwiderstand 8 und einen Kompensationswiderstand 10 sowie zwei weitere Meßwiderstände 11 und 14 auf. Außerhalb der Membran 3 sind auf dem Rahmen 2 zwei weitere Kompensationswiderstände 13 und 16 vorgesehen.The membrane of the invention 3 according to Fig. 1 comprises a measuring resistor 5, a compensating resistor 7, a measuring resistor 8, and a compensating resistor 10 and two further measuring resistors 11 and 14. Outside the membrane 3 , two further compensation resistors 13 and 16 are provided on the frame 2 .

Eine Möglichkeit zur Herstellung eines unter der Membran liegenden Widerstands besteht darin, in eine n-dotierte Membran p^--dotierte Bereiche (Basisdiffusion) einzudiffundieren. Nachfolgend wird dann eine epitaktische Schicht aufgewachsen und die Membran mittels eines sogenannten pn-Stops geätzt.One possibility for producing a resistance lying under the membrane is to diffuse p ^- -doped regions (basic diffusion) into an n-doped membrane. An epitaxial layer is then subsequently grown and the membrane is etched using a so-called pn stop.

Bei den Widerständen handelt es sich bevorzugt um piezoresistive Widerstände mit einem - in Draufsicht - weitgehend rechteckigen Umriß, deren Widerstandswert sich bei einer mechanischen Verformung des Widerstands bzw. der Membran am Ort des betreffenden Widerstands ändert. Bevorzugt werden die Widerstände durch geeignet dotierte Bereiche der Membran gebildet.The resistors are preferably piezoresistive resistors with a - in plan view - largely rectangular outline, the resistance value of which a mechanical deformation of the resistance or the membrane changes at the location of the relevant resistance. To be favoured the resistances through suitably doped areas of the membrane educated.

Es versteht sich, daß anstelle eines Maskierungs- und nachfolgenden Dotierungs-Prozeßschritts der Membran auch anders gebildete Widerstände verwendet werden können, deren Widerstandswert ebenfalls von der Verformung des betreffenden Widerstands abhängt und die beispielsweise auf, in oder unter der Membran vorgesehenen sind. Ein auf oder unter der Membran vorgesehener Widerstand könnte beispielsweise durch eine Maskierung der Membran im Bereich des herzustellenden Widerstands und nachfolgendes Beschichten mit einem geeigneten Material erzeugt werden. Ebenso kann ein "vergrabener" Widerstand in der Membran erzeugt werden.It is understood that instead of a masking and subsequent doping process step of the membrane as well otherwise formed resistors can be used, the Resistance value also from the deformation of the concerned Resistance depends and for example on, in or under the membrane are provided. One on or under the membrane provided resistance could, for example, by a Masking the membrane in the area to be manufactured Resistance and subsequent coating with a suitable Material are generated. Likewise, a "buried" Resistance can be generated in the membrane.

Wie insbesondere aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung deutlich werden wird, ist die anschließend beschriebene Geometrie des erfindungsgemäßen Drucksensors lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung; zahlreiche weitere Ausführungsformen sind möglich. So können die in der Fig. 2 auf dem Umriß eines gedachten, abgerundeten Rechtecks liegenden Kompensationswiderstände 7 und 10 jeweils auch auf einem anderen Punkt eines solchen Umrisses liegen. Bei einer quadratischen Membran wäre der betreffende Umriß in etwa ein abgerundetes Quadrat und für eine kreisförmige Membran ein Kreis.As will become clear in particular from the following functional description, the subsequently described geometry of the pressure sensor according to the invention is merely a preferred embodiment of the invention; numerous other embodiments are possible. Thus, the compensation resistors 7 and 10 lying on the outline of an imaginary, rounded rectangle in FIG. 2 can each also lie on another point of such an outline. In the case of a square membrane, the outline in question would be approximately a rounded square and, for a circular membrane, a circle.

Theoretisch bevorzugt ist die Anordnung der Membran- Kompensationswiderstände innerhalb der betreffenden Membran, d. h. exakt auf der neutralen Faser der Membran, da in diesem Bereich lediglich die Membranspannung und nicht die Biegespannung auf die Kompensationswiderstände wirkt. Da eine solche Anordnung (zumindest derzeit) technisch nur schwierig zu realisieren ist, werden die Kompensationswiderstände in der Praxis bevorzugt in die Oberfläche der betreffenden Membran eindiffundiert.The arrangement of the membrane Compensation resistances within the membrane in question, d. H. exactly on the neutral fiber of the membrane, because in this Range only the membrane tension and not the Bending stress acts on the compensation resistors. There one such an arrangement (at least currently) is technically difficult is to be realized, the compensation resistances in the Practice preferred in the surface of the membrane in question diffused.

Wenn man die in Fig. 1 dargestellte Membran 3 mit dem Ziffernblatt einer Uhr vergleicht, so weist die Längsachse des Meßwiderstands 5, der wie alle anderen piezoresistiven Widerstände - in Draufsicht - einen weitgehend rechteckigen Umriß aufweist, in Richtung "zwölf Uhr" und ist in der Nähe der oberen Membrankante der Membran 3 in diese eingebracht.If you compare the membrane 3 shown in Fig. 1 with the dial of a clock, the longitudinal axis of the measuring resistor 5 , which like all other piezoresistive resistors - in plan view - has a largely rectangular outline, in the direction of "twelve o'clock" and is in brought into the vicinity of the upper membrane edge of the membrane 3 .

Die Längsachse des Kompensationswiderstands 7 verläuft quer zur Längsachse des Meßwiderstands 5 und eine gedachte Mittelsenkrechte auf dessen Längsachse deckt sich in etwa mit der Längsachse des Meßwiderstands 5. Der Kompensationswiderstand 7 ist etwas außerhalb der Mitte der Membran 3 zwischen dem Zentrum der Membran 3 und dem Meßwiderstand 5 in diese eingebracht.The longitudinal axis of the compensation resistor 7 runs transversely to the longitudinal axis of the measuring resistor 5 and an imaginary perpendicular to its longitudinal axis coincides approximately with the longitudinal axis of the measuring resistor 5 . The compensation resistor 7 is introduced somewhat outside the center of the membrane 3 between the center of the membrane 3 and the measuring resistor 5 .

Der in die Membran 3 eingebrachte Meßwiderstand 14 ist gegenüber dem Meßwiderstand 5 parallel verschoben und eine gedachte Mittelsenkrechte auf der Längsachse des Meßwiderstand 14 weist mit ihrem einen Ende etwa in Richtung auf das Zentrum der Membran 3 und mit ihrem anderen Ende etwa in Richtung "drei Uhr". Der Meßwiderstand 14 befindet sich etwas entfernt von der rechten Membrankante der Membran 3 in dieser. Der Meßwiderstand 8 ist derart angeordnet, daß sich die Längsachse des Meßwiderstands 5 in etwa mit der Längsachse des Meßwiderstands 8 deckt und er ist weitgehend spiegelsymmetrisch zum Meßwiderstand 5 auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 3 angeordnet.The measuring resistor 14 introduced into the membrane 3 is displaced parallel to the measuring resistor 5 and an imaginary perpendicular to the longitudinal axis of the measuring resistor 14 points with one end approximately towards the center of the membrane 3 and with its other end approximately in the direction of "three o'clock ". The measuring resistor 14 is located somewhat away from the right membrane edge of the membrane 3 in this. The measuring resistor 8 is arranged such that the longitudinal axis of the measuring resistor 5 coincides approximately with the longitudinal axis of the measuring resistor 8 and it is arranged largely mirror-symmetrically to the measuring resistor 5 on the opposite side of the membrane 3 .

Eine gedachte Mittelsenkrechte auf der Längsachse des Kompensationswiderstands 10 deckt sich in etwa mit der Längsachse des Meßwiderstands 8, d. h. der Kompensationswiderstand 10 verläuft quer zum Meßwiderstand 8. Der zum Kompensationswiderstand 7 weitgehend parallel bzw. spiegelsymmetrisch angeordnete Kompensationswiderstand 10 ist zwischen dem Meßwiderstand 8 und dem Zentrum der Membran 3 angeordnet.An imaginary perpendicular to the longitudinal axis of the compensation resistor 10 coincides approximately with the longitudinal axis of the measuring resistor 8 , ie the compensation resistor 10 runs transverse to the measuring resistor 8 . The compensation resistor 10, which is arranged largely parallel or in mirror symmetry to the compensation resistor 7, is arranged between the measuring resistor 8 and the center of the membrane 3 .

Der Meßwiderstand 11 in der Membran 3 verläuft weitgehend parallel und auf gleicher Höhe wie der Meßwiderstand 14. Er ist weitgehend spiegelsymmetrisch zum Meßwiderstand 14 auf der - in bezug auf den Meßwiderstand 14 - gegenüberliegenden Seite der Membran 3 in der Nähe der linken Membrankante der Membran 3 in diese eingebracht. The measuring resistor 11 in the membrane 3 runs largely parallel and at the same height as the measuring resistor 14 . It is largely mirror-symmetrical to the measuring resistor 14 on the - in relation to the measuring resistor 14 - opposite side of the membrane 3 in the vicinity of the left membrane edge of the membrane 3 introduced into this.

In etwa parallel zum Meßwiderstand 14 ist der Kompensationswiderstand 16 auf dem Rahmen 2 des Halbleiter- Sensors 1 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Rahmens 2 befindet sich der Kompensationswiderstand 13 auf dem Rahmen 2 des Halbleiter-Sensors 1, wobei dessen Längsachse weitgehend parallel zur Längsachse des Meßwiderstands 11 verläuft. Der Kompensationswiderstand 13 befindet sich in etwa auf gleicher Höhe wie der Meßwiderstand 11.The compensation resistor 16 is arranged on the frame 2 of the semiconductor sensor 1 approximately parallel to the measuring resistor 14 . On the opposite side of the frame 2 is the compensation resistor 13 on the frame 2 of the semiconductor sensor 1 , the longitudinal axis of which is largely parallel to the longitudinal axis of the measuring resistor 11 . The compensation resistor 13 is approximately at the same level as the measuring resistor 11 .

Wie im Zusammenhang mit Fig. 4 näher erläutert werden wird, bilden die Meßwiderstände 5 und 14 sowie die Meßwiderstände 11 und 8 jeweils einen Zweig einer Meßbrücke (vgl. die Position 50 in Fig. 4), d. h. der Meßwiderstand 11 ist mit dem Meßwiderstand 8 und der Meßwiderstand 5 ist mit dem Meßwiderstand 14 in Reihe geschaltet. Ferner bilden die Kompensationswiderstände 13 und 10 sowie die Kompensationswiderstände 7 und 16 jeweils einen Zweig einer Kompensationsbrücke (vgl. die Position 51 in Fig. 4), d. h. der Kompensationswiderstand 13 ist mit dem Kompensationswiderstand 10 und der Kompensationswiderstand 7 ist mit dem Kompensationswiderstand 16 in Reihe geschaltet.As will be explained in more detail in connection with FIG. 4, the measuring resistors 5 and 14 and the measuring resistors 11 and 8 each form a branch of a measuring bridge (cf. item 50 in FIG. 4), ie the measuring resistor 11 is connected to the measuring resistor 8 and the measuring resistor 5 is connected in series with the measuring resistor 14 . Furthermore, the compensation resistors 13 and 10 and the compensation resistors 7 and 16 each form a branch of a compensation bridge (see item 51 in FIG. 4), that is to say the compensation resistor 13 is in series with the compensation resistor 10 and the compensation resistor 7 is in series with the compensation resistor 16 switched.

Der aus den Meßwiderständen 11 und 8 sowie der aus den Meßwiderständen 5 und 14 jeweils gebildete Zweig der Meßbrücke sind zueinander parallel geschaltet.The branch of the measuring bridge formed from the measuring resistors 11 and 8 and from the measuring resistors 5 and 14 are connected in parallel to each other.

Ebenso sind die aus den Kompensationswiderständen 13 und 10 sowie 7 und 16 gebildeten Zweige der Kompensationsbrücke parallel geschaltet.Likewise, the branches of the compensation bridge formed from the compensation resistors 13 and 10 and 7 and 16 are connected in parallel.

Ein Kontaktfeld 17 zum Anschluß der Versorgungsspannung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors 1 steht mit dem Eingang der Meßbrücke, der durch die parallel verschalteten Meßwiderstände 11 und 5 gebildet wird, in einer elektrischen Verbindung. Ferner steht das Kontaktfeld 17 mit dem Eingang der Kompensationsbrücke, der durch die parallel geschalteten Kompensationswiderstände 13 und 7 gebildet ist, in einer elektrischen Verbindung. Kontaktfelder 68 und 67 bilden den Ausgang der Meßbrücke und Kontaktfelder 69 und 70 bilden den Ausgang der Kompensationsbrücke. An die Kontaktfelder 17 und 28 wird die Spannungsversorgung für den erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensor 1 angeschlossen, worüber die Meß- und Kompensationsbrücke jeweils mit elektrischer Spannung versorgt wird. Das Kontaktfeld 28 ist der sogenannte Brückenfußpunkt.A contact field 17 for connecting the supply voltage of the semiconductor sensor 1 according to the invention is in electrical connection with the input of the measuring bridge, which is formed by the measuring resistors 11 and 5 connected in parallel. Furthermore, the contact field 17 is in electrical connection with the input of the compensation bridge, which is formed by the compensation resistors 13 and 7 connected in parallel. Contact fields 68 and 67 form the output of the measuring bridge and contact fields 69 and 70 form the output of the compensation bridge. The voltage supply for the semiconductor pressure sensor 1 according to the invention is connected to the contact fields 17 and 28 , via which the measuring and compensation bridges are each supplied with electrical voltage. The contact field 28 is the so-called bridge base point.

Über ein Kontaktfeld 67, das mit der Leitung verbunden ist, die die Reihenschaltung der Meßwiderstände 11 und 8 bewirkt sowie über ein Kontaktfeld 68, das mit der Leitung in einer elektrischen Verbindung steht, die die Meßwiderstände 5 und 14 in Reihe schaltet, kann die an den Meßausgängen der Meßbrücke (50) anliegende elektrische Spannung vom Sensor 1 abgegriffen und der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung 300 zugeführt werden.Via a contact field 67 , which is connected to the line, which effects the series connection of the measuring resistors 11 and 8 and via a contact field 68 , which is in electrical connection with the line, which connects the measuring resistors 5 and 14 in series, the on the voltage applied to the measuring outputs of the measuring bridge ( 50 ) is tapped by the sensor 1 and fed to the compensation circuit 300 shown in FIG. 4.

Ebenso steht die elektrische Leitung, die die Kompensationswiderstände 13 und 10 in Reihe schaltet, mit einem Kontaktfeld 69 in einer elektrischen Verbindung. Ein Kontaktfeld 70 steht mit der elektrischen Leitung in Verbindung, die die Reihenschaltung der Kompensationswiderstände 13 und 10 bewirkt. Über die Kontaktfelder 69 und 70 kann die an den Meßausgängen der Kompensationsbrücke (51) anliegende elektrische Spannung vom Sensor 1 abgegriffen und der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung 300 zugeführt werden.Likewise, the electrical line, which connects the compensation resistors 13 and 10 in series, is in electrical connection with a contact field 69 . A contact field 70 is connected to the electrical line, which effects the series connection of the compensation resistors 13 and 10 . Via the contact fields 69 and 70 , the electrical voltage present at the measuring outputs of the compensation bridge ( 51 ) can be tapped by the sensor 1 and fed to the compensation circuit 300 shown in FIG. 4.

Die Kontaktfelder 17, 68, 69, 28, 67 und 70 sind auf dem Rahmen 2 des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors 1 angeordnet. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Kontaktfeldern und den Widerständen bzw. zwischen den unterschiedlichen Widerständen wird vorzugsweise durch niederohmige Leiterbahnen erreicht, deren Verschaltung mit den Widerständen in Fig. 1 schematisch und in Fig. 2 in einer konkreten Ausgestaltung dargestellt sind. Vorzugsweise werden die Leiterbahnen bzw. elektrischen Verbindungen zur Bildung der Meßbrücke und der Kompensationsbrücke durch Bedampfung der Oberseite des Rahmens 2 und der Membran 3 mit einem Metall, wie z. B. mit Aluminium, Kupfer, Gold oder Platin, erreicht.The contact fields 17 , 68 , 69 , 28 , 67 and 70 are arranged on the frame 2 of the pressure sensor 1 shown in FIG. 1. The electrical connections between the contact fields and the resistors or between the different resistors is preferably achieved by low-resistance conductor tracks, the connection of which to the resistors is shown schematically in FIG. 1 and in a specific embodiment in FIG. 2. Preferably, the conductor tracks or electrical connections to form the measuring bridge and the compensation bridge by vapor deposition of the top of the frame 2 and the membrane 3 with a metal, such as. B. with aluminum, copper, gold or platinum.

Es versteht sich, daß der erfindungsgemäße Drucksensor weitere Schichten aufweisen kann.It is understood that the pressure sensor according to the invention further Can have layers.

In Fig. 2 ist das Layout einer bevorzugten Ausführungsform des in Fig. 1 schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors - in Draufsicht - dargestellt. Das in Fig. 2 dargestellte Layout des Halbleiter-Drucksensors 200 ist, soweit nachfolgend nicht anders angegeben, identisch mit dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Sensor 1, wenn man davon absieht, daß Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors zeigt. FIG. 2 shows the layout of a preferred embodiment of the semiconductor pressure sensor according to the invention, shown schematically in FIG. 1, in a top view. Unless stated otherwise below, the layout of the semiconductor pressure sensor 200 shown in FIG. 2 is identical to the semiconductor sensor 1 shown in FIG. 1, except that FIG. 1 is a schematic illustration of a semiconductor pressure sensor according to the invention shows.

Insbesondere weicht der in Fig. 2 dargestellte Halbleiter- Drucksensor 200 von dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter- Drucksensor 1 darin ab, daß der Meßwiderstand 5 der Fig. 1 in Fig. 2 durch zwei Meßwiderstände 5 und 6, der Meßwiderstand 14 durch zwei Meßwiderstände 14 und 15, der Meßwiderstand 8 durch zwei Meßwiderstände 8 und 9 und der Meßwiderstand 11 durch zwei Meßwiderstände 11 und 12 gebildet ist. Indem an den sogenannten ersten Orten der Membran, an denen die longitudinale und auch transversale Biegespannung der Membran maximal ist, anstelle eines Meßwiderstands eine Reihenschaltung aus jeweils zwei Meßwiderständen 5, 6; 14, 15; 8, 9; und 11, 12 vorgesehen ist, ist es in technisch einfacher Weise möglich, einen aus zwei in Reihe geschalteten Meßwiderständen gebildeten Widerstand der Meßbrücke 50 zu bilden, der einen hohen Widerstandswert, vorzugsweise von mindestens ein 1 kΩ, aufweist. Hierdurch läßt sich die Stromaufnahme eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors deutlich reduzieren. Ferner ist es durch die Reihenschaltung von zwei Meßwiderständen möglich, "einen" hochohmigen Meßwiderstand durch geeignete Dotierung der Membran 3 des Halbleiter-Drucksensors 200 herzustellen.In particular, gives way to the shown in Fig. 2 semiconductor pressure sensor 200 from that shown in FIG. 1, the semiconductor pressure sensor 1 is off, that the measuring resistor 5 of FIG. 1 in FIG. 2 by two measuring resistors 5 and 6, the sense resistor 14 by two Measuring resistors 14 and 15 , the measuring resistor 8 is formed by two measuring resistors 8 and 9 and the measuring resistor 11 by two measuring resistors 11 and 12 . By at the so-called first locations of the membrane, where the longitudinal and also transverse bending stress of the membrane is at a maximum, instead of a measuring resistor, a series connection of two measuring resistors 5 , 6 ; 14 , 15 ; 8 , 9 ; and 11 , 12 is provided, it is possible in a technically simple manner to form a resistance of the measuring bridge 50 which is formed from two measuring resistors connected in series and which has a high resistance value, preferably of at least 1 kΩ. As a result, the current consumption of a semiconductor pressure sensor according to the invention can be significantly reduced. Furthermore, the series connection of two measuring resistors makes it possible to produce "a" high-resistance measuring resistor by suitable doping of the membrane 3 of the semiconductor pressure sensor 200 .

Ferner läßt sich durch die erfindungsgemäße Verwendung von zwei Meßwiderständen, der "Offset" minimieren und das Verhältnis des Piezowiderstands zum Widerstand der Zuleitungen maximieren, wodurch sich eine maximale Empfindlichkeit der Meßanordnung ergibt.Furthermore, the use of two measuring resistors, minimize the "offset" and that Ratio of the piezoresistance to the resistance of the leads maximize, resulting in maximum sensitivity of the Measurement arrangement results.

Dementsprechend sind die in Fig. 4 als einzelne Widerstände der Wheatstoneschen Meßbrücke 50 dargestellten Widerstände, entsprechend der bevorzugten Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten Drucksensors 200, tatsächlich jeweils zwei in Reihe geschaltete Meßwiderstände.Accordingly, the resistors shown in FIG. 4 as individual resistors of the Wheatstone measuring bridge 50 , in accordance with the preferred embodiment of the pressure sensor 200 shown in FIG. 2, are actually two measuring resistors connected in series.

Ein weiterer Unterschied des in Fig. 2 dargestellten Halbleiter-Drucksensors 200 gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiter-Drucksensor 1 besteht darin, daß die auf dem Rahmen 2 des Drucksensors 200 angeordneten Rahmenwiderstände 13 und 16 jeweils nicht parallel zu den Meßwiderständen 11 und 14 verlaufen. Diese sind zwar auch etwa auf gleicher Höhe wie die benachbarten, auf der Membran 3 befindlichen Meßwiderstände 11, 12 bzw. 14, 15 angeordnet, jedoch ist die Längsachse der Rahmenwiderstände jeweils um 45° im Uhrzeigersinn gegenüber der Längsachse des jeweils benachbarten Meßwiderstands verdreht. Another difference of the semiconductor pressure sensor shown in Fig. 2 200 compared to the example shown in FIG. 1, the semiconductor pressure sensor 1 is that the components arranged on the frame 2 of the pressure sensor 200 frame resistors 13 and 16 are not parallel to the measuring resistors 11 and 14 run. Although these are also arranged approximately at the same height as the adjacent measuring resistors 11 , 12 or 14 , 15 located on the membrane 3 , however, the longitudinal axis of the frame resistors is rotated clockwise by 45 ° with respect to the longitudinal axis of the adjacent measuring resistor.

Es versteht sich, daß sich die Ausrichtung der Rahmenwiderstände 13 und 16 auf dem Rahmen 2 an der konkreten Kristallorientierung des Rahmens bzw. des Halbleitersubstrats, aus dem der Drucksensor hergestellt wird, orientiert. Entscheidend ist, daß die Ausrichtung derart erfolgt, daß die Rahmenwiderstände piezounempfindlich gegen eventuell auftretende geringe Verformungen des Rahmens sind, wodurch sich eine höhere Meßgenauigkeit erreichen läßt.It goes without saying that the alignment of the frame resistors 13 and 16 on the frame 2 is based on the concrete crystal orientation of the frame or the semiconductor substrate from which the pressure sensor is produced. It is crucial that the alignment takes place in such a way that the frame resistances are piezoresensitive to any small deformations of the frame which may occur, as a result of which a higher measurement accuracy can be achieved.

Die auf dem Rahmen 2 angeordneten Kompensationswiderstände 13 und 16 liegen etwa je zur Hälfte auf dem Teil des Rahmens, der durch das nicht geätzte Silizium-Substrat gebildet ist und zur anderen Hälfte auf dem Übergangsbereich 4 zwischen dem Silizium-Substrat und der Membran 3. Hierdurch läßt sich zudem eine platzsparende Anordnung erreichen, so daß die Fläche des insgesamt benötigten Silizium-Substrats minimiert bzw. der eingesparte Platz zur vollständigen oder teilweisen Realisierung der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung auf dem Rahmen 2 verwendet werden kann.The compensation resistors 13 and 16 arranged on the frame 2 each lie approximately half on the part of the frame which is formed by the non-etched silicon substrate and half on the transition region 4 between the silicon substrate and the membrane 3 . This also allows a space-saving arrangement to be achieved, so that the area of the silicon substrate required as a whole is minimized or the space saved can be used for the complete or partial implementation of the compensation circuit shown in FIG. 4 on the frame 2 .

Bei Betrachtung der Fig. 2 fällt auf, daß die Kontaktfelder 17, 69, 28 und 70 etwa an den Ecken der Membran auf der Oberseite des Halbleiter-Drucksensors 200 im Übergangsbereich 4 angeordnet sind. Damit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine übersichtliche Möglichkeit zum externen Anschluß des Halbleiter-Drucksensors 200 an eine Spannungsversorgung sowie die Möglichkeit des Abgriffs der Spannung an den Meßausgängen der Kompensationsbrücke. An dieser Anordnung der Kontaktfelder ist ferner von Vorteil, daß der Anschluß des Halbleiter- Drucksensors 200 ohne negative Auswirkungen auf das Deformationsverhalten der Membran 3 möglich ist. Ebenso sind auf der Oberseite des Halbleiter-Drucksensors 200 im Übergangsbereich 4 Kontaktzungen 67 und 68 vorgesehen, über die sich die Spannung an den Meßausgängen der aus den Meßwiderständen gebildeten Wheatstoneschen Meßbrücke abgreifen und ebenfalls, wie die Signale bzw. wie die Spannung an den Meßausgängen der Kompensationsbrücke 51 über die Kontaktflächen 69 und 70, der in Fig. 4 dargestellten Kompensationsschaltung 300 zuführen lassen.As viewed in FIG. 2 is striking that the contact pads 17, 69, 28 and 70 are arranged approximately at the corners of the membrane on top of the semiconductor pressure sensor 200 in the transition area 4. This advantageously results in a clear possibility for the external connection of the semiconductor pressure sensor 200 to a voltage supply and the possibility of tapping the voltage at the measurement outputs of the compensation bridge. In this arrangement of the contact fields, it is also advantageous that the connection of the semiconductor pressure sensor 200 is possible without negative effects on the deformation behavior of the membrane 3 . Likewise, 4 contact tongues 67 and 68 are provided on the upper side of the semiconductor pressure sensor 200 in the transition region, via which the voltage at the measuring outputs of the Wheatstone measuring bridge formed from the measuring resistors is tapped and also how the signals or how the voltage at the measuring outputs of the Compensation bridge 51 can be fed via the contact surfaces 69 and 70 to the compensation circuit 300 shown in FIG. 4.

Ferner sind die die Meßwiderstände verbindenden Leiterbahnen überwiegend, soweit möglich, parallel zur jeweiligen Membrankante in deren unmittelbarer Nähe auf dem Übergangsbereich 4 angeordnet. Dadurch können die Leiterbahnen, die die Meßwiderstände verbinden, möglichst kurz und damit niederohmig gehalten werden.Furthermore, the conductor tracks connecting the measuring resistances are arranged, as far as possible, parallel to the respective membrane edge in their immediate vicinity on the transition area 4 . As a result, the conductor tracks that connect the measuring resistors can be kept as short as possible and thus with low resistance.

Soweit nötig, verlaufen die Leiterbahnen, die die auf dem Rahmen 2 angeordneten Kompensationswiderstände 13 und 16 mit der Kompensationsbrücke verbinden, auf der linken bzw. rechten Seite des Rahmens und weisen im Unterschied zu den Leiterbahnen, die die Meßwiderstände verbinden, einen größeren Abstand zu den jeweils benachbarten Membrankanten auf.If necessary, the conductor tracks that connect the compensation resistors 13 and 16 arranged on the frame 2 to the compensation bridge run on the left or right side of the frame and, in contrast to the conductor tracks that connect the measuring resistors, have a greater distance from them adjacent membrane edges.

Nachfolgend wird das Layout der Verschaltung der Leiterbahnen des Drucksensors 200 detaillierter beschrieben. Das Kontaktfeld 17 steht über eine Zuleitung 20 mit dem einen Anschluß des Kompensationswiderstands 7 in Verbindung. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 7 ist mit dem Kontaktfeld 69 über eine Zuleitung 21 verbunden. Das Kontaktfeld 69 ist über eine Leiterbahn 19 mit einer Verbindungsstelle 23 elektrisch verbunden, die ihrerseits mit dem einen Anschluß des Kompensationswiderstands 16 über eine Leiterbahn 24 verbunden, ist. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 16 ist über eine Zuleitung 25 mit einer Kontaktstelle 26 verbunden. Die Kontaktstelle 26 steht über eine Leiterbahn 27 mit einem Kreuzungspunkt in Verbindung, der seinerseits durch eine Leiterbahn gebildet ist, die mit einer Leiterbahn 37 in Verbindung steht, die einen Anschluß des Meßwiderstands 14 kontaktiert. Ferner steht der Kreuzungspunkt mit einer Leiterbahn 40 in Verbindung, die einen Anschluß des Meßwiderstands 9 elektrisch kontaktiert. Schließlich steht der Kreuzungspunkt noch mit dem Kontaktfeld 28 in einer elektrischen Verbindung, das seinerseits mit einem Anschluß des Kompensationswiderstands 10 über eine Leiterbahn 35 verbunden ist. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 10 ist über eine Leiterbahn 34 mit dem Kontaktfeld 70 verbunden, daß seinerseits wiederum über eine Leiterbahn 32 mit einer Kontaktstelle 31 in einer elektrischen Verbindung steht. Eine Leiterbahn 30 verbindet die Kontaktstelle 31 mit einem Anschluß des Kompensationswiderstands 13. Der andere Anschluß des Kompensationswiderstands 13 steht über eine Leiterbahn 29, Kontaktstelle 22 und nachfolgend über eine Leiterbahn 18 mit dem Kontaktfeld 17 in einer elektrischen Verbindung, wodurch schließlich die Kompensationsbrücke 51 gebildet ist.The layout of the interconnection of the conductor tracks of the pressure sensor 200 is described in more detail below. The contact field 17 is connected via a feed line 20 to one connection of the compensation resistor 7 . The other connection of the compensation resistor 7 is connected to the contact field 69 via a feed line 21 . The contact field 69 is electrically connected via a conductor track 19 to a connection point 23 , which in turn is connected to one connection of the compensation resistor 16 via a conductor track 24 . The other connection of the compensation resistor 16 is connected to a contact point 26 via a feed line 25 . The contact point 26 is connected via a conductor track 27 to a crossing point, which in turn is formed by a conductor track which is connected to a conductor track 37 which contacts a connection of the measuring resistor 14 . Furthermore, the crossing point is connected to a conductor track 40 which electrically contacts a connection of the measuring resistor 9 . Finally, the crossing point is still in electrical connection with the contact field 28 , which in turn is connected to a connection of the compensation resistor 10 via a conductor track 35 . The other connection of the compensation resistor 10 is connected to the contact field 70 via a conductor track 34 , which in turn is in electrical connection with a contact point 31 via a conductor track 32 . A conductor track 30 connects the contact point 31 to a connection of the compensation resistor 13 . The other connection of the compensation resistor 13 is in electrical connection via a conductor track 29 , contact point 22 and subsequently via a conductor track 18 with the contact field 17, as a result of which the compensation bridge 51 is finally formed.

Das Kontaktfeld 17 steht zudem über die Leiterbahn 18 mit einem Anschluß des Meßwiderstands 5 in Verbindung, dessen anderer Anschluß über eine Kontaktbrücke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 6 verbunden ist. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 6 ist über eine Leiterbahn 36 mit einem Anschluß des Meßwiderstands 15 verbunden. Die Leiterbahn 36 ist mit der Kontaktzunge 68 versehen, die von der Membran 3 weg nach oben in den Übergangsbereich 4 zeigt. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 15 ist über eine Kontaktbrücke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 14 verbunden. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 14 wird von der Leiterbahn 37 kontaktiert. Die mit der Leiterbahn 37 verbundene Leiterbahn 40 kontaktiert einen Anschluß des Meßwiderstands 9, der über eine Kontaktbrücke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 8 verbunden ist. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 8 steht mit einem Anschluß des Meßwiderstands 11 über eine Leiterbahn 39 in einer elektrischen Verbindung. Die Leiterbahn 39 besteht zum Teil aus der Kontaktzunge 67, die von der Membran 3 weg nach unten in den Übergangsbereich 4 zeigt. Der andere Anschluß des Meßwiderstands 11 ist über eine Kontaktbrücke mit einem Anschluß des Meßwiderstands 12 verbunden, dessen anderer Anschluß über eine Leiterbahn 38 mit der Leiterbahn 18 und dem Kontaktfeld 17 elektrisch verbunden ist, wodurch schließlich die Meßbrücke 50 gebildet ist.The contact field 17 is also connected via the conductor track 18 to a connection of the measuring resistor 5 , the other connection of which is connected to a connection of the measuring resistor 6 via a contact bridge. The other connection of the measuring resistor 6 is connected via a conductor track 36 to a connection of the measuring resistor 15 . The conductor track 36 is provided with the contact tongue 68 , which points upward away from the membrane 3 into the transition region 4 . The other connection of the measuring resistor 15 is connected to a connection of the measuring resistor 14 via a contact bridge. The other connection of the measuring resistor 14 is contacted by the conductor track 37 . The conductor track 40 connected to the conductor track 37 contacts a connection of the measuring resistor 9 , which is connected via a contact bridge to a connection of the measuring resistor 8 . The other connection of the measuring resistor 8 is in electrical connection with a connection of the measuring resistor 11 via a conductor track 39 . The conductor track 39 partly consists of the contact tongue 67 , which points away from the membrane 3 into the transition region 4 . The other connection of the measuring resistor 11 is connected via a contact bridge to a connection of the measuring resistor 12 , the other connection of which is electrically connected to the conductor track 18 and the contact field 17 via a conductor track 38 , whereby the measuring bridge 50 is finally formed.

Die Zuleitungen 20, 21, 35 und 34, die die auf der Membran 3 vorgesehenen Kompensationswiderstände 7 und 10 kontaktieren, verlaufen jeweils etwa diagonal über einen Teil der Membran 3, bevor sie die Kompensationswiderstände 7 und 10 kontaktieren.The leads 20 , 21 , 35 and 34 , which contact the compensation resistors 7 and 10 provided on the membrane 3 , each run approximately diagonally over a part of the membrane 3 before they contact the compensation resistors 7 and 10 .

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weisen die durch geeignete Dotierung der Membran 3 gebildeten Widerstände einen etwa halbkreisförmigen Querschnitt auf.As can be seen from FIG. 3, the resistors formed by suitable doping of the membrane 3 have an approximately semicircular cross section.

Nachfolgend wird die Funktion des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors 1 und 200, wie er beispielhaft in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist, näher erläutert.The function of the semiconductor sensor 1 and 200 according to the invention, as illustrated by way of example in FIGS. 1, 2 and 3, is explained in more detail below.

Die relative Widerstandsänderung eines in der Membran des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors angeordneten piezoresistiven Widerstands als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran kann näherungsweise wie folgt beschrieben werden:
The relative change in resistance of a piezoresistive resistor arranged in the membrane of the semiconductor sensor according to the invention as a function of the differential pressure between the two sides of the membrane can be described approximately as follows:

ΔR/R₀ ∝ a(x, y, z) Δp + b (Δp)² (1)
ΔR / R ₀ ∝ a (x, y, z) Δp + b (Δp) ² (1)

mit:
ΔR/R₀ = relative Widerstandsänderung eines piezoresistiven Widerstands als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran;
Δp = der Differenzdruck zwischen den beiden Seiten der Membran;
x, y, z = die räumlichen Koordinaten des (der Einfachheit halber auf einen einzigen Punkt reduzierten) konkreten Orts des piezoresistiven Widerstands in bezug auf die Membran;
a = ein Faktor, der vom betreffenden piezoresistiven Widerstand, seinem Ort in bezug auf die konkrete Membran, der konkreten Membran und dem konkreten Sensor abhängt;
b = ein Faktor, der vom betreffenden piezoresistiven Widerstand, seinem Ort in bezug auf die konkrete Membran, der konkreten Membran und dem konkreten Sensor abhängt;
a(x, y, z) Δp = linearer Anteil an der relativen Widerstandsänderung infolge einer Änderung der Biegespannung;
b (Δp)² = ortsunabhängiger quadratischer Anteil an der relativen Widerstandsänderung infolge der Änderung der ortsunabhängigen Membranspannung.With:
ΔR / R ₀ = relative change in resistance of a piezoresistive resistor as a function of the differential pressure between the two sides of the membrane;
Δp = the differential pressure between the two sides of the membrane;
x, y, z = the spatial coordinates of the specific location of the piezoresistive resistor (reduced to a single point for the sake of simplicity) with respect to the membrane;
a = a factor that depends on the piezoresistive resistor in question, its location in relation to the specific membrane, the specific membrane and the specific sensor;
b = a factor that depends on the piezoresistive resistance in question, its location in relation to the specific membrane, the specific membrane and the specific sensor;
a (x, y, z) Δp = linear part of the relative change in resistance due to a change in the bending stress;
b (Δp) ² = location-independent quadratic part of the relative change in resistance due to the change in the location-independent membrane tension.

Typischerweise ist der Faktor b des quadratischen Terms der vorstehenden Gleichung (1) deutlich kleiner als der Faktor a des linearen Terms der relativen Widerstandsänderung eines in einer Membran angeordneten piezoresistiven Widerstands als Funktion des Differenzdrucks zwischen den zwei Seiten der Membran. Ist der Differenzdruck zwischen den beiden Seiten der Membran relativ gering, ist die relative Widerstandsänderung weitgehend durch den linearen Term der Gleichung (1) bestimmt. Typically the factor b of the quadratic term is Equation (1) above is significantly smaller than the factor a the linear term of the relative change in resistance of an in a membrane arranged piezoresistive resistance as Function of the differential pressure between the two sides of the Membrane. Is the differential pressure between the two sides of the Membrane is relatively small, the relative change in resistance largely determined by the linear term of equation (1).

Wird nun jedoch ein piezoresistiver Widerstand in einem mikromechanischen Halbleiter-Sensor zur Messung eines Drucks im Niederdruckbereich verwendet, bei dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensor typischerweise ein Bereich von etwa 0 bis 50 mbar, und trennt die Membran den Niederdruckbereich beispielsweise vom Vakuum, so wird der quadratische Term der Gleichung mit zunehmendem Differenzdruck, d. h. in diesem Beispiel dem Anstieg der Druckdifferenz von etwa 0 auf etwa 50 mbar, dominant gegenüber dem linearen Term der Gleichung. Dasselbe gilt beispielsweise entsprechend auch für eine Situation, bei der auf der einen Seite der Membran Normaldruck bzw. Atmosphärendruck herrscht und auf der anderen Seite der Membran ein Druck, der im Bereich von etwa 0 bis 50 mbar höher oder niedriger ist.However, if there is a piezoresistive resistor in one Micromechanical semiconductor sensor for measuring a pressure used in the low pressure range in the inventive Semiconductor sensor typically a range from about 0 to 50 mbar, and separates the membrane from the low pressure area for example from vacuum, the quadratic term becomes Equation with increasing differential pressure, i. H. in this Example the increase in the pressure difference from about 0 to about 50 mbar, dominant over the linear term of the equation. The same applies, for example, to one Situation in which on one side of the membrane normal pressure or atmospheric pressure and on the other side of the Membrane a pressure that is in the range of about 0 to 50 mbar higher or lower.

Hieraus ergibt sich, daß die Widerstandskennlinie des piezoresistiven Widerstands mit zunehmendem Differenzdruck ein (in der Regel unerwünschtes) nichtlineares Verhalten zeigt.It follows from this that the resistance characteristic of the piezoresistive resistance with increasing differential pressure shows (usually undesirable) non-linear behavior.

Ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung zur Lösung dieses Problems besteht darin, den bzw. die in die Membran eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Halbleiter-Drucksensors eingebrachten Meßwiderstände (siehe die Fig. 1, 2 und 3) in ihrer Form und in ihren Abmessungen derart zu bemessen, daß sie jeweils an solchen Stellen bzw. Orten der Membran in diese eingebracht werden können, an denen die Gesamtspannung, die sich im wesentlichen aus der linearen Biegespannung und der quadratischen Membranspannung zusammensetzt, groß, vorzugsweise weitgehend maximal, ist.A first essential aspect of the invention to solve this problem consists in dimensioning the shape and dimensions of the measuring resistor (s) introduced into the membrane of a micromechanical semiconductor pressure sensor according to the invention (see FIGS . 1, 2 and 3). that they can be introduced into the membrane at such locations or locations where the total stress, which is composed essentially of the linear bending stress and the square membrane stress, is large, preferably largely maximal.

Indem der bzw. die Meßwiderstände an dieser Stelle bzw. an diesen Stellen der Membran angeordnet sind, ergibt sich im Unterschied zu anderen Stellen der Membran, die diese Eigenschaften nicht aufweisen, eine hohe, bevorzugt eine weitgehend maximale relative Widerstandsänderung als Funktion des Differenzdrucks zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran und damit eine verbesserte Möglichkeit zur Messung des Differenzdrucks über die Auswertung der relativen Widerstandsänderung.By the or the measuring resistors at this point or at these locations of the membrane are located in Difference to other parts of the membrane that this Properties do not have a high, preferably a largely maximum relative change in resistance as a function the differential pressure between the top and bottom the membrane and thus an improved possibility for measurement of the differential pressure via the evaluation of the relative Change in resistance.

Ein zweiter wesentlicher Aspekt der Erfindung zur Lösung des genannten Problems der Nichtlinearität besteht darin, einen oder mehrere Membran-Kompensationswiderstände (siehe die Fig. 1, 2 und 3), in ihrer Form und in ihren Abmessungen so zu gestalten, daß diese jeweils an einer Stelle bzw. einem Ort der Membran angeordnet werden können, an dem jeweils weitgehend lediglich die quadratisch mit dem Differenzdruck verlaufende Membranspannung auf den betreffenden Membran-Kompensationswiderstand wirkt.A second essential aspect of the invention for solving the problem of non-linearity is to design one or more membrane compensation resistors (see FIGS. 1, 2 and 3), in their shape and in their dimensions, so that they are each connected to one Place or a location of the membrane can be arranged at which in each case only the membrane voltage, which is square with the differential pressure, acts on the relevant membrane compensation resistor.

Bevorzugt wird also jeweils eine Stelle bzw. ein Ort für den oder die Membran-Kompensationswiderstände in der Membran gewählt, an dem eine minimale Biegespannung der Membran gegeben ist.A position or a location for the is therefore preferred or the membrane compensation resistors in the membrane chosen at which a minimum bending stress of the membrane given is.

Vorzugsweise werden die Meß- und/oder Kompensationswiderstände der Membran durch Maskierung und nachfolgende geeignete lokale Dotierung der nicht maskierten Stellen der Membran in diese eingebracht. Dasselbe gilt für die auf dem Rahmen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors vorgesehenen Rahmenwiderstände (siehe die Fig. 1, 2 und 3).The measuring and / or compensation resistances of the membrane are preferably introduced into the membrane by masking and subsequent suitable local doping of the unmasked locations. The same applies to the frame resistances provided on the frame of the semiconductor sensor according to the invention (see FIGS. 1, 2 and 3).

Indem der bzw. die Kompensationswiderstände an dieser Stelle bzw. an diesen Stellen der Membran angeordnet sind, ergibt sich im Unterschied zu anderen Stellen bzw. Orten der Membran, die diese Eigenschaften nicht aufweisen, eine relative Widerstandsänderung des Kompensationswiderstands bzw. der Kompensationswiderstände als Funktion des Differenzdrucks zwischen der Oberseite und der Unterseite der Membran, die einen weitgehend quadratischen Verlauf zeigt. An dieser Stelle bzw. an diesen Stellen ist der lineare Term der obengenannten Gleichung (1) für die relative Widerstandsänderung weitgehend minimal bzw. Null und die relative Widerstandsänderung wird wesentlich durch die Membranspannung bestimmt. Die Membranspannung ist in bezug auf die Membran ortsunabhängig und zeigt eine quadratische Druckabhängigkeit. Ein Widerstand, der an einem Ort der Membran liegt, an dem sowohl die longitudinale als auch die transversale Biegespannung weitgehend Null ist, erfährt daher annähernd nur die Membranspannung.By the compensation resistor (s) at this point or are arranged at these locations on the membrane differs from other places or locations on the membrane, that do not have these properties, a relative Change in resistance of the compensation resistance or Compensation resistances as a function of differential pressure between the top and bottom of the membrane, the shows a largely square course. At this point or at these points is the linear term of the above Equation (1) for the relative change in resistance largely minimal or zero and the relative change in resistance essentially determined by the membrane tension. The Membrane tension is independent of location with respect to the membrane and shows a quadratic pressure dependency. A resistance which is at a location on the membrane where both the longitudinal as well as transverse bending stress is largely zero, therefore only experiences approximately Membrane tension.

Die nicht in der Membran vorgesehenen, auf bzw. im Rahmen des erfindungsgemäßen Drucksensors angeordneten Rahmenwiderstände sind weitgehend druckunabhängig, weil ein auf die Oberseite oder Unterseite der Membran wirkender Druck allenfalls zu einer sehr geringen Verformung des Rahmens führt, wobei die Verformung des Rahmens gegenüber der Verformung der Membran sehr gering ist.The not provided in the membrane, on or within the scope of Frame resistors arranged according to the invention are largely pressure independent because one is on top or the underside of the membrane acting pressure at most very little deformation of the frame, the Deformation of the frame compared to the deformation of the membrane is very low.

Um jedoch auch die Möglichkeit einer Widerstandsänderung eines piezoresistiven Rahmenwiderstands infolge einer Verformung des Rahmens des Drucksensors weitgehend auszuschließen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, den Rahmenwiderstand derart in bezug auf die Kristallorientierung des Rahmens anzuordnen, daß der Widerstand durch die Verformung des Rahmens nicht beeinflußt wird, d. h. daß dieser eine piezounempfindliche Ausrichtung ggü. der Kristallorientierung des Rahmens aufweist.However, the possibility of changing the resistance of a Piezoresistive frame resistance due to a deformation of the To largely exclude the frame of the pressure sensor is at a preferred embodiment of the invention, the frame resistance so with respect to the Arrange crystal orientation of the frame that the Resistance is not affected by the deformation of the frame will, d. H. that this is a piezo-insensitive alignment vs. the crystal orientation of the frame.

Es versteht sich, daß von dem erfindungsgemäßen Prinzip auch dann Gebrauch gemacht wird, wenn die Meß- und/oder Kompensationswiderstände lediglich in der Nähe der vorstehend beschriebenen (idealen) Stellen bzw. Orte der Membran bzw. des Rahmens des Drucksensors angeordnet werden.It goes without saying that the principle of the invention also then use is made when the measurement and / or Compensation resistances only near the above described (ideal) locations or locations of the membrane or Frame of the pressure sensor can be arranged.

Bevorzugt wird von piezoresistiven Widerständen Gebrauch gemacht; es versteht sich jedoch, daß auch ein oder mehrere andere Widerstände anstelle von piezoresistiven Widerständen verwendet werden können, die die genannten Eigenschaften ganz oder teilweise aufweisen.Use of piezoresistive resistors is preferred made; however, it is understood that one or more other resistors instead of piezoresistive resistors can be used, the properties mentioned entirely or partially.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Verschaltung der an den erfindungsgemäßen Stellen der Membran vorgesehenen Meßwiderstände zu einer Meßbrücke ergibt sich an den Kontaktfeldern 67 und 68, den Ausgängen der Meßbrücke, folgende Brückenspannung:
Due to the above-described connection of the measuring resistors provided at the locations of the membrane according to the invention to form a measuring bridge, the following bridge voltage results at contact fields 67 and 68 , the outputs of the measuring bridge:

U_Meßbrücke (Δp) = ((R_t- R_l)/(R_t + R_l)) U_V (2)
U _{measuring bridge} (Δp) = ((R _t - R _l ) / (R _t + R _l )) U _V (2)

mit:
U_Meßbrücke = elektrische Spannung infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran zwischen den zwei Zweigen der Meßbrücke, die an den Kontaktfeldern 67 und 68 des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors abgegriffen wird;
R_t = elektrischer Widerstand der piezoresistiven Widerstände der Meßbrücke, der von der transversalen Biegespannung an den piezoresistiven Meßwiderständen infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran abhängt;
R_l = elektrischer Widerstand der piezoresistiven Widerstände der Meßbrücke, der von der longitudinalen Biegespannung an den piezoresistiven Meßwiderständen infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran abhängt;
U_v = elektrische Spannung der Versorgungsspannung, die an den Kontaktfeldern 17 und 28 des erfindungsgemäßen Halbleiter- Sensors angelegt ist.With:
U _{measuring bridge} = electrical voltage due to the differential _pressure Δp between the two sides of the membrane between the two branches of the measuring bridge, which is tapped at the contact fields 67 and 68 of the semiconductor sensor according to the invention;
R _t = electrical resistance of the piezoresistive resistors of the measuring bridge, which depends on the transverse bending stress on the piezoresistive measuring resistors as a result of the differential pressure Δp between the two sides of the membrane;
R _l = electrical resistance of the piezoresistive resistors of the measuring bridge, which depends on the longitudinal bending stress on the piezoresistive measuring resistors as a result of the differential pressure Δp between the two sides of the membrane;
U _v = electrical voltage of the supply voltage which is applied to the contact fields 17 and 28 of the semiconductor sensor according to the invention.

Aus dieser Gleichung (2) für die Ausgangsspannung der Meßbrücke wird deutlich, daß die Nichtlinearität der einzelnen Widerstände zu einer Nichtlinearität der Brückenspannung der Meßbrücke führt.From this equation (2) for the output voltage of the Measuring bridge it becomes clear that the non-linearity of the individual Resistors to a non-linearity of the bridge voltage Measuring bridge leads.

Die aus zwei druckunabhängigen piezoresistiven Widerständen auf dem Rahmen der Membran und zwei druckabhängigen Kompensationswiderständen an den erfindungsgemäßen Stellen auf der Membran des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors gebildete Kompensationsbrücke weist an den Kontaktfeldern 69 und 70, den Meßausgängen der Kompensationsbrücke, eine elektrische Spannung auf, die durch die nachfolgende Gleichung näherungsweise beschrieben werden kann:
The compensation bridge formed from two pressure-independent piezoresistive resistors on the frame of the membrane and two pressure-dependent compensation resistors at the locations according to the invention on the membrane of the semiconductor sensor according to the invention has an electrical voltage at the contact fields 69 and 70 , the measurement outputs of the compensation bridge, caused by the the following equation can be described approximately:

U_{Kompensationsbrücke} = ((R_komp - R₀)/(R_komp + R₀)) U_V (3)
U _{compensation bridge} = ((R _comp - R ₀ ) / (R _comp + R ₀ )) U _V (3)

mit:
U_{Kompensationsbrücke} = die elektrische Spannung der Kompensationsbrücke infolge des Differenzdrucks Δp zwischen den beiden Seiten der Membran, die an den Kontaktfeldern 69 und 70 des erfindungsgemäßen Halbleiter-Sensors abgegriffen wird;
R_komp = der elektrische Widerstand der der Kompensationsbrücke;
R₀ = R_komp (für Δp = 0): der elektrische Widerstand der Kompensationsbrücke für einen Differenzdruck Δp = 0;
U_V = die Versorgungsspannung der Kompensationsbrücke. With:
U _{compensation bridge} = the electrical voltage of the compensation bridge as a result of the differential pressure Δp between the two sides of the membrane, which is tapped at the contact fields 69 and 70 of the semiconductor sensor according to the invention;
R _comp = the electrical resistance of the compensation bridge;
R ₀ = R _comp (for Δp = 0): the electrical resistance of the compensation bridge for a differential pressure Δp = 0;
U _V = the supply voltage of the compensation bridge.

Bei entsprechendem elektrischen Anschluß der durch die Kontaktfelder 69 und 70 gebildeten Ausgänge der Kompensationsbrücke sowie der durch die Kontaktfelder 67 und 68 gebildeten Ausgänge der Meßbrücke erhält man eine Ausgangsspannung der Kompensationsbrücke (U_{Kompensationsbrücke}) als Funktion des Differenzdrucks (Δp), welche ein umgekehrtes Vorzeichen im Vergleich zur Ausgangsspannung der Meßbrücke (U_Meßbrücke) aufweist.With a corresponding electrical connection of the outputs of the compensation bridge formed by contact fields 69 and 70 and of the outputs of the measuring bridge formed by contact fields 67 and 68 , an output voltage of the compensation bridge (U _compensation bridge) is obtained as a function of the differential pressure (Δp), which has an opposite sign in Comparison to the output voltage of the measuring bridge (U _{measuring bridge} ).

Die Kompensationsbrücke hat ferner eine geringere Empfindlichkeit als die Meßbrücke und die Nichtlinearität der Kompensationsbrücke ist deutlich höher als die Nichtlinearität der in der Membran vorgesehenen Meßwiderstände bzw. des Ausgangssignals der Meßbrücke. Dies ist durch die vorstehend erläuterte Anordnung der Membran-Kompensationswiderstände an jeweils einem Ort der Membran mit minimaler Biegespannung, an dem überwiegend lediglich die Membranspannung (ortsunabhängig und proportional zu (Δp)²) auf die Membran-Kompensationswiderstände wirkt, begründet.The compensation bridge also has a lower sensitivity than the measuring bridge and the non-linearity of the compensation bridge is significantly higher than the non-linearity of the measuring resistors provided in the membrane or the output signal of the measuring bridge. This is due to the arrangement of the membrane compensation resistors explained above at one location of the membrane with minimal bending stress, at which predominantly only the membrane tension (independent of location and proportional to (Δp) ² ) acts on the membrane compensation resistors.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung zur Verminderung der Nichtlinearität der Ausgangsspannung (siehe Fig. 4) der zu einer Meßbrücke 50 verschalteten Meßwiderstände in der Membran besteht nun darin, den durch einen ersten Spannungs-/Strom wandler 54 aus der nichtlinearen Ausgangsspannung der Kompensationsbrücke 51 erzeugten ersten elektrischen Strom an dessen Ausgang 60 von dem durch einen zweiten Spannungs-/Strom wandler 53 aus der nichtlinearen Ausgangsspannung der Meßbrücke 50 erzeugten zweiten elektrischen Strom an dessen Ausgang 59 zu subtrahieren. Erfindungsgemäß erfolgt die Verschaltung derart, daß der erste elektrische Strom ein umgekehrtes Vorzeichen ggü. dem zweiten elektrischen Strom aufweist und sich die quadratischen Anteile beider Ströme ganz oder teilweise aufheben bzw. kompensieren. An essential aspect of the invention for reducing the non-linearity of the output voltage (see FIG. 4) of the measuring resistors connected to a measuring bridge 50 in the membrane now consists in the first generated by a first voltage / current converter 54 from the non-linear output voltage of the compensation bridge 51 to subtract electrical current at its output 60 from the second electrical current generated by a second voltage / current converter 53 from the non-linear output voltage of the measuring bridge 50 at its output 59 . According to the invention, the interconnection is carried out in such a way that the first electric current is an opposite sign to. has the second electrical current and the square portions of both currents cancel or compensate for one another in whole or in part.

Wie in Fig. 4 dargestellt, wird der zu subtrahierende erste elektrische Strom des Spannungs-/Stromwandlers 54 der Kompensationsbrücke 51 vor der Subtraktion derart verstärkt, daß der Absolutwert des quadratisch mit dem Differenzdruck verlaufenden Anteils des ersten elektrischen Stroms am Ausgang 60 weitgehend dem Absolutwert des quadratisch mit dem Differenzdruck verlaufenden Anteils des zweiten elektrischen Stroms am Ausgang 59 entspricht. Dann ergibt sich ein resultierender elektrischer Strom (siehe die Leitung 61 in Fig. 4), der einen weitgehend linearen Verlauf als Funktion des Differenzdrucks zeigt und zur Bestimmung des Differenzdrucks verwendet wird. Zum Abgleich des Spannungs-/Strom wandlers 54 bzw. zur Verstärkung des ersten elektrischen Stroms vor der Subtraktion der elektrischen Ströme, ist der Spannungs-/Stromwandler 54 mit einem Anschluß 52 zur Zuführung einer einstellbaren Abgleich-Spannung versehen.As shown in FIG. 4, the first electrical current to be subtracted from the voltage / current converter 54 of the compensation bridge 51 is amplified before the subtraction in such a way that the absolute value of the portion of the first electrical current at the output 60 which is square with the differential pressure largely corresponds to the absolute value of the corresponds squarely with the differential pressure portion of the second electrical current at the output 59 . A resulting electrical current then results (see line 61 in FIG. 4), which shows a largely linear course as a function of the differential pressure and is used to determine the differential pressure. To balance the voltage / current converter 54 or to amplify the first electrical current before subtracting the electrical currents, the voltage / current converter 54 is provided with a connection 52 for supplying an adjustable compensation voltage.

Um die Stromaufnahme durch den erfindungsgemäßen Halbleiter- Sensor so gering wie möglich zu halten, weisen die Widerstände bevorzugt einen elektrischen Widerstand auf, der größer als 1 kΩ ist. To the current consumption by the semiconductor Keeping the sensor as low as possible shows the resistances preferably has an electrical resistance greater than Is 1 kΩ.

Reference list

11

Halbleiter-Drucksensor
Semiconductor pressure sensor

22nd

Rahmen
frame

33rd

Membran
membrane

44th

Übergangsbereich
Transition area

55

Meßwiderstand
Measuring resistor

66

Meßwiderstand
Measuring resistor

77

Membran-Kompensationswiderstand
Membrane compensation resistor

88th

Meßwiderstand
Measuring resistor

99

Meßwiderstand
Measuring resistor

1010th

Membran-Kompensationswiderstand
Membrane compensation resistor

1111

Meßwiderstand
Measuring resistor

1212th

Meßwiderstand
Measuring resistor

1313

Rahmenwiderstand
Frame resistance

1414

Meßwiderstand
Measuring resistor

1515

Meßwiderstand
Measuring resistor

1616

Rahmenwiderstand
Frame resistance

1717th

Kontaktfeld
Contact field

1818th

Leiterbahn
Conductor track

1919th

Leiterbahn
Conductor track

2020th

Zuleitung
Supply

2121

Zuleitung
Supply

2222

Kontaktstelle
Contact point

2323

Verbindungsstelle
Liaison

2424th

Leiterbahn
Conductor track

2525th

Leiterbahn
Conductor track

2626

Kontaktstelle
Contact point

2727

Leiterbahn
Conductor track

2828

Kontaktfeld
Contact field

3030th

Leiterbahn
Conductor track

3131

Kontaktstelle
Contact point

3232

Leiterbahn
Conductor track

3434

Zuleitung
Supply

3535

Zuleitung
Supply

3636

Leiterbahn
Conductor track

3737

Leiterbahn
Conductor track

3838

Leiterbahn
Conductor track

3939

Leiterbahn
Conductor track

4040

Leiterbahn
Conductor track

4141

Aussparung
Recess

5050

Meßbrücke
Measuring bridge

5151

Kompensationsbrücke
Compensation bridge

5252

Anschluß zum Abgleich des Spannungs-/Stromwandlers der Kompensationsbrücke
Connection for balancing the voltage / current transformer of the compensation bridge

5353

Spannungs-/Stromwandler
Voltage / current converter

5454

Spannungs-/Stromwandler
Voltage / current converter

5959

Ausgang eines Spannungs-/Stromwandlers
Output of a voltage / current converter

6060

Ausgang eines Spannungs-/Stromwandlers
Output of a voltage / current converter

6161

Leitung
management

6767

Kontaktzunge
Tongue

6868

Kontaktzunge
Tongue

6969

Kontaktfeld
Contact field

7070

Kontaktfeld
Contact field

200200

Halbleiter-Drucksensor
Semiconductor pressure sensor

300300

Kompensationsschaltung
Compensation circuit

Claims

1. Pressure sensor ( 1 ; 200 ), in particular for measurements of low absolute pressures and / or low differential pressures, comprising:

a frame ( 2 ) which is at least partially formed by a semiconductor material,
- a membrane ( 3 ) held by the frame ( 2 ),
at least one measuring resistor ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 , 15 ) which is arranged at a first location in or on the membrane ( 3 ) and whose resistance value depends on the deformation of the membrane ( 3 ),

characterized by at least one compensation resistor ( 7 , 10 ) which is arranged at a second location in or on the membrane ( 2 ) and whose resistance value depends on the deformation of the membrane ( 3 ).

2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the measuring resistor ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 , 15 ) located at the first location of the membrane ( 3 ) is largely maximal with respect to other locations of the membrane Changes in resistance when the diaphragm is acted on by a differential pressure, the total stress resulting from linear bending stress and quadratic diaphragm stress being largely maximal at the first location.

3. Pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the compensation resistor ( 7 , 10 ) located at the second location of the membrane ( 3 ) shows a largely square change in resistance with respect to other locations of the membrane as a function of the differential pressure, with the second place largely only the diaphragm voltage, which is a function of the differential pressure, acts on the compensation resistor.

4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in

- That the membrane ( 3 ) has at least four measuring resistors ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 , 15 ), which are each arranged at a first location of the membrane, and
- That the measuring resistors ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 , 15 ) located at the first four locations of the membrane are connected to a first ring circuit or Wheatstone measuring bridge ( 50 ) or to a measuring transducer.

5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in

- That the membrane ( 3 ) has at least two compensation resistors ( 7 , 10 ), which are each arranged at a second location of the membrane,
- That the frame ( 2 ) with at least two frame resistors ( 13 , 16 ) is provided, and
- That the compensation resistances of the membrane and the frame resistors are connected to a second ring circuit or Wheatstone measuring bridge or compensation bridge ( 51 ).

6. Pressure sensor according to claim 5, characterized in that at least one of the frame resistors ( 13 , 16 ) is arranged in or on the frame ( 2 ) such that the electrical resistance of the frame resistor ( 13 , 16 ) even at a (typically low) Deformation of the frame ( 2 ) remains largely constant.

7. Pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring resistors ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 ) and / or the compensation resistors ( 7 , 10 ) and / or the frame resistors ( 13 , 16 ) are piezoresistive resistors.

8. Pressure sensor according to claim 6 or 7, characterized in that a piezoresistive frame resistor ( 13 , 16 ) is arranged in or on the frame ( 2 ) such that it is largely insensitive to piezo (typically small) deformation of the frame.

9. Measuring arrangement ( 300 ) for measuring the absolute pressure and / or the differential pressure to which a pressure sensor ( 1 ; 200 ) according to one of claims 1 to 8 is exposed, characterized by

first means ( 53 ) for detecting the change in electrical resistance caused by the pressure difference across at least one measuring resistor ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 , 15 ),
- Second means ( 54 ) for detecting the change in the electrical resistance caused by the pressure difference across at least one compensation resistor ( 7 , 10 ) of the membrane.

10. Measuring arrangement according to claim 9, characterized in

- That the first means ( 53 ) detect the voltage change caused by the pressure difference between the branches of a Wheatstone measuring bridge ( 50 ) formed from four measuring resistors ( 5 , 6 , 8 , 9 , 11 , 12 , 14 , 15 ) of the membrane ( 3 ) , and
- That the second means ( 54 ), which by the pressure difference between the branches of a from two compensation resistors ( 7 , 10 ) and two frame resistors ( 13 , 16 ) formed Wheatstone compensation bridge ( 51 ) capture caused voltage change.

11. Measuring arrangement according to claim 9 or 10, characterized in that

- That the first means have a first voltage / current converter ( 53 ) through whose input the voltage change caused by the pressure difference is detected, with a first electrical current being output via an output ( 59 ) of the first voltage / current converter ( 53 ) which is proportional to the input voltage at the first voltage / current converter ( 53 ),
- That the second means ( 54 ) have a second voltage / current converter ( 54 ), via the input of which the voltage change caused by the pressure difference is detected, with an output ( 60 ) of the second voltage / current converter ( 54 ) a second Electric current is output, which is proportional to the input voltage at the second voltage / current converter ( 54 ), wherein the second electrical current has a sign opposite to the first electrical current, and
- That a compensation circuit subtracts the second electrical current or an amplified second electrical current from the first electrical current.

12. Measuring arrangement according to claim 11, characterized by an amplifier for amplifying the second voltage / current converter ( 54 ) emitted second electrical current.