-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleichen eines Schichtwiderstandes,
insbesondere in einer Widerstands-Brückenschaltung
eines Dehnungsmesselements sowie einen Schichtwiderstand und ein
Dehnungsmesselement.
-
Schichtwiderstände werden
häufig
in Dehnungsmesselementen z.B. bei Hochdrucksensoren eingesetzt.
Dazu werden die Schichtwiderstände
in der Regel sternförmig
auf eine verformbare Membran aufgebracht und zu einer Brückenschaltung,
insbesondere zu einer sog. Wheatstone-Brücke mit vier Schichtwiderständen, verschaltet.
Bei Beaufschlagung der Membran mit einem Druck wölbt sich die Membran, wodurch
die einzelnen Schichtwiderstände
gedehnt bzw. gestaucht werden, so dass die Offsetspannung der Brückenschaltung
verstimmt wird. Die Verstimmung der Brückenschaltung führt zu einem
abhängigen
elektrischen Signal, das durch eine Auswerteschaltung aufgenommen
wird, die daraus ein Maß für den Druck
bestimmt. Je nach Anwendungsbereich ist zudem eine hohe Temperaturstabilität, eine
hohe Empfindlichkeit und eine hohe Langzeitkonstanz über die
gesamte Lebensdauer des Dehnungsmesselementes erforderlich.
-
Schichtwiderstände für einen
solchen Sensor werden häufig
mit Hilfe des Widerstandsmaterials NiCr bzw. NiCrSi aufgebaut, das
der einem geeigneten Beschichtungsprozess als eine amorphe Schicht mit
einer Widerstandstruktur aufgebracht wird. Die Kontaktierung der
Schichtwiderstände
erfolgt über eine
spezielle Kontaktschicht bzw. ein entsprechendes Schichtsystem,
wie z.B. NiCr/Pd/Au oder Ni.
-
Durch
stets auftretende Schwankungen bei dem Strukturierungsprozess zur
Herstellung der Schichtwiderstände
bzw. bei anderen Vorprozessen sind die Widerstandswerte der Schichtwiderstände der
Brückenschaltung
häufig
nicht identisch, so dass die Offsetspannung der Brückenschaltung
im Nullzustand des Dehnungselementes, d. h. in unbelastetem Zustand
ungleich 0 Volt beträgt.
Um den Wert der Offsetspannung an den durch eine Spezifikation vorgegebenen
Wert anzupassen, werden die Widerstandswerte einer oder maximal
von zwei ausgewählten Schichtwiderständen der
Brückenschaltung
durch Abgleichen erhöht.
Dies erfolgt üblicherweise
in einem Abgleichverfahren, bei dem durch ein Laserschneiden (Aufschmelzen
des Widerstandsmaterials mithilfe eines Laserstrahls) in einen Abgleichbereich des
Schichtwiderstandes der entsprechende Widerstandswert des Schichtwiderstandes
erhöht
wird. Das Laserschneidverfahren ist hierfür üblich, da es eine hohe Abgleichgenauigkeit
ermöglicht.
Das Laserschneidverfahren beruht auf dem Abtragen von Material durch
Aufheizen, so dass das Material des Schichtwiderstandes verdampft
bzw. aufgeschmolzen wird und eine Trennlinie (Schnittlinie) in dem
Widerstandsmaterial gebildet wird. Am Rand der Schneidlinie entsteht
ein Wulst in dem Schichtmaterial, bei dem das zuvor amorphe Material
zumindest teilweise rekristallisiert. Der rekristallisierte Bereich des
Schichtwiderstandes weist jedoch bezüglich des amorphen Bereiches
des Schichtwiderstandes einen unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten
des Widerstands auf, so dass das Gesamt-Temperaturverhalten des
Schichtwiderstandes bzw. der Brückenschaltung
durch das Laserschneidverfahren beeinflusst wird.
-
Da
das Laserschneidverfahren bei Schichtwiderständen in einer Brückenschaltung üblicherweise
so ausgeführt
wird, um die Offsetspannung der Brückenschaltung möglichst
zu minimieren, wird dadurch je nach Länge des Laserschnitts eine
nicht vorherbestimmbare Änderung
der Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung bewirkt. Bei einem abschließenden Messvorgang wird die
Temperaturabhängigkeit
bestimmt und je nachdem, ob der Temperaturkoeffizient der Offsetspannung
der Brückenschaltung innerhalb
oder außerhalb
der spezifikationsgemäßen Vorgaben
liegt, wird das Sensorelement zugelassen oder verworfen.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Abgleichen eines Schichtwiderstandes zur Verfügung zu
stellen, bei dem die Ausbeute nach dem Abgleichen erhöht ist. Insbesondere
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abgleichen
einer Brückenschaltung
mit Schichtwiderständen
zur Verfügung
zu stellen, bei dem der resultierende Temperaturkoeffizient der
Offsetspannung der Brückenschaltung
minimiert wird. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen Schichtwiderstand und ein Dehnungsmesselement zur Verfügung zu
stellen, die in einfacher Weise abgleichbar sind, wobei der Einfluss des
Abgleichprozesses auf die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes reduziert
ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren zum Abgleichen eines Schichtwiderstandes
sowie durch den Schichtwiderstand und das Dehnungsmesselement gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abgleichen
eines Schichtwiderstandes, insbesondere in einem Dehnungsmesselement,
vorgesehen. Der Schichtwiderstand weist einen niederohmigen Zuleitungsbereich
und einen hochohmigen, mit dem Zuleitungsbereich elektrisch verbundenen
Widerstandsbereich auf. Bei dem Verfahren wird ein erstes Laserschneidverfahren
an dem Widerstandsbereich durchgeführt, um den Temperaturkoeffizienten
des Schichtwiderstands zu modifizieren. Hierbei wird der Widerstandswert
und somit die Offsetspannung nur wenig verändert. Anschließend wird
in einem zweiten Laserschneidverfahren der Schichtwiderstand ab geglichen,
so dass die Offsetspannung des Schichtwiderstandes abhängig von
einem Sollwert eingestellt wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, bei einem Schichtwiderstand den Einfluss des Laserschneidverfahrens
auf die Temperaturabhängigkeit
des Widerstandswertes zu kompensieren, indem zunächst ein erstes Laserschneidverfahren
in dem Widerstandsbereich des Schichtwiderstandes durchgeführt wird,
bei dem ein Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts des Schichtwiderstandes
in vorgegebener Weise eingestellt wird. Dies ermöglicht es, den Wert oder den
Wertebereich, in dem der Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts
liegt, vorher festzulegen, so dass der Bereich des Temperaturkoeffizienten
der Offsetspannung nach dem Durchführen des zweiten Laserschneidverfahrens
größtenteils durch
das erste Laserschneidverfahren bestimmt werden kann.
-
Vorzugsweise
wird das erste Laserschneidverfahren mit einer vorbestimmten ersten
Schnittlänge
an dem Widerstandsbereich des Schichtwiderstandes ausgeführt. Insbesondere
kann das Schneiden entlang eines Randabschnittes des Widerstandsbereiches
durchgeführt
werden.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der Schichtwiderstand in einer Brückenschaltung vorgesehen, wobei
das erste Laserschneidverfahren ausgeführt wird, um den Temperaturkoeffizienten
des Widerstandes des Schichtwiderstandes so einzustellen, dass ein
Temperaturkoeffizient eines Offsetwerts und/oder eines Gesamtwiderstandes
der Brückenschaltung
auf den vorgegebenen Sollwert eingestellt wird. Vorzugsweise kann
dabei das erste Laserschneidverfahren so ausgeführt werden, dass der Temperaturkoeffizient
der Offsetspannung der Brückenschaltung
im wesentlichen auf 0 bzw. nahe 0 gebracht wird.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann das zweite Laserschneidverfahren an dem Zuleitungsbereich
des Schichtwiderstandes mit einer zweiten Schnittstellenlänge ausgeführt werden, wobei
die Länge
der zweiten Schnittstellenlänge
so gewählt
wird, dass das Offsetsignal der Brückenschaltung auf den vorgegebenen
Sollwert eingestellt wird. Dadurch wird die Brückenschaltung mit dem Schichtwiderstand
abgeglichen, so dass sie einer spezifikationsgemäßen Vorgabe entspricht.
-
Es
kann auch vorgesehen sein, dass während des Ausführens des
zweiten Laserschneidverfahrens entlang einer Schnittlinie der Gesamtwiderstand
und/oder die Offsetspannung der Brückenschaltung gemessen wird,
wobei das zweite Laserschneidverfahren gestoppt wird, wenn die Offsetspannung
den vorgegebenen Wert erreicht hat.
-
Vorzugsweise
kann das zweite Laserschneidverfahren in einem Zuführungsbereich
ausgeführt
werden, so dass ein stromtragender Querschnitt des Zuführungsbereichs
in einem Abschnitt verringert wird, wobei ein leitender Steg gebildet
wird, der in Reihe zu dem Widerstandsbereich geschaltet ist.
-
Weiterhin
kann der Zuführungsbereich und/oder
der Widerstandsbereich mehrere Verbindungsabschnitte aufweisen,
wobei das zweite Laserschneidverfahren ausgeführt wird, indem die Verbindungsabschnitte
nacheinander durch das zweite Laserschneidverfahren durchtrennt
werden, wobei während
des aufeinanderfolgenden Durchtrennens der Verbindungsabschnitte
jeweils der Gesamtwiderstand bzw. die Offsetspannung der Brückenschaltung
ermittelt wird, wobei das Durchtrennen der Verbindungsabschnitte
gestoppt wird, wenn der Gesamtwiderstand bzw. die Offsetspannung
den vorgegebenen Sollwert erreicht oder überschreitet.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Schichtwiderstand,
insbesondere für
ein Dehnungsmesselement, zum Einsatz in einer Brückenschaltung vorgesehen. Der
Schichtwiderstand weist einen niederohmigen Zuleitungsbereich und
einen hochohmigen, mit dem Zuleitungsbereich elektrisch verbundenen
Widerstandsbereich auf, wobei der Zuleitungsbereich und der Widerstandsbereich
jeweils aus einem leitfähigen
Schichtmaterial ausgebildet sind. Der Zuleitungsbereich und/oder
der Widerstandsbereich weist mehrere Verbindungsabschnitte zwischen
einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt des Zuleitungsbereich bzw.
des Widerstandsbereichs auf, die so angeordnet sind, dass sie im
stromdurchflossenen Zustand des Schichtwiderstandes jeweils einen
Anteil des Stromes tragen.
-
Ein
solcher Schichtwiderstand hat den Vorteil, dass er durch Durchtrennen
der Verbindungsabschnitte in definierter Weise abgeglichen werden kann,
wobei die Länge
eines Wulstbereichs, der den Temperaturkoeffizienten in unerwünschter
Weise beeinflusst, beim Schneiden mittels eines Laserschneidverfahrens
zum Abgleichen reduziert werden kann.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Verbindungsabschnitte durch Stegbereiche zwischen dem ersten und
dem zweiten Abschnitt gebildet sein, die durch eine oder mehrere
Aussparungen in dem Schichtmaterial voneinander getrennt sind.
-
Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 ein
elektrisches Schaltbild einer Verschaltung von dehnungsempfindlichen
Schichtwiderständen
zu einer Brückenschaltung
bei einem elektrischen Dehnungsmesselement;
-
2 eine
detaillierte Darstellung eines Schichtwiderstandes für ein Dehnungselement
nach 1;
-
3a und 3b mögliche Laserschnitte in
die Zuführungsbereiche
der Schichtwiderstände, um
das Dehnungsmesselement abzugleichen;
-
4 einen
Schichtwiderstand nach einem ersten Laserschneidverfahren in den
Widerstand des Schichtwiderstandes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
-
5 die
Temperaturabhängigkeiten
der Offsetspannungen einer Anzahl von Dehnungsmesselementen vor
der Durchführung
der Laserschneidverfahren;
-
6 die
Veränderung
der Temperaturkoeffizienten TKO der Offsetspannung der Anzahl der Dehnungsmesselemente
nach der Durchführung
des ersten Laserschneidverfahrens bei einem Teil der Dehnungselemente;
-
7 die
Temperaturabhängigkeiten
der Offsetspannungen der Anzahl von Dehnungsmesselementen nach Durchführung des
zweiten Laserschneidverfahrens zum Abgleichen von Widerstandswerten
bzw. der Offsetspannung des Dehnungsmesselementes;
-
8 eine
weitere Ausführungsform
eines Schichtwiderstandes, insbesondere für ein Dehnungsmesselement,
bei dem mindestens ein Zuführungsbereich
mit Ausnehmungen versehen ist;
-
9 die
Temperaturkoeffizienten der Offsetspannungen gemäß der Ausführungsform der 8 mit
einer Anzahl von Dehnungsmesselementen vor der Durchführung der
Laserschneidverfahren;
-
10 die
Temperaturkoeffizienten der Offsetspannungen einer Anzahl von Dehnungsmesselementen
nach dem Durchführen
des ersten Laserschneidverfahrens bei einem Teil der Dehnungselemente;
und
-
11 die
Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung einer Anzahl von Dehnungsmesselementen
nach dem Durchführen
beider Laserschneidverfahren.
-
In 1 ist
ein elektrisches Schaltbild einer Brückenschaltung 1 (Wheatstone-Brückenschaltung) mit
dehnungsempfindlichen Schichtwiderständen 2 dargestellt,
wie sie beispielsweise bei Dehnungssensoren, Drucksensoren und anderen
Sensorelementen verwendet werden. Die Schichtwiderstände 2 sind
häufig
auf einer verformbaren Sensorfläche
aufgebracht, die sich gemäß dem zu
messenden Wert dehnt oder staucht. Die Schichtwiderstände 2 sind dabei
mit ihren Richtungen der höchsten
Empfindlichkeit in einem Kreuzmuster angeordnet. Bei der Brückenschaltung 1 sind
jeweils zwei der Schichtwiderstände 2 in
Reihe und die so gebildeten Stromzweige parallel zueinander geschaltet.
Die Ausgangsspannung UA eines solchen Dehnungsmesselementes 1 ist
zwischen einem Knoten zwischen den beiden Schichtwiderständen 2 des
einen Stromzweiges und einem Knoten zwischen den beiden Schichtwiderständen 2 des
weiteren Stromzweiges abgreifbar.
-
Die
Schichtwiderstände 2 werden
häufig gleichartig
ausgebildet, so dass sie im Idealfall einen gleichen Widerstandswert
aufweisen. Im Idealfall wäre
somit die Offsetspannung bei einem Nullzustand, d.h. bei unbelasteten
Schichtwiderständen ohne
Dehnung oder Stauchung der Sensorfläche, auf der die Schichtwiderstände 2 aufgebracht
sind, gleich 0 Volt, wenn die Schichtwiderstände 2 den gleichen
Widerstandswert aufweisen. In der Praxis treten jedoch herstellungsgedingt
Unterschiede bei den Widerstandswerten der Schichtwiderstände 2 auf,
so dass durch ein Abgleichverfahren einer oder mehrerer der Schichtwiderstände 2 abgeglichen
werden müssen,
um in dem unbelasteten Zustand eine möglichst geringe Offsetspannung
auszugeben. Alternativ oder zusätzlich
kann die Brückenschaltung 1 so
abgestimmt werden, dass der Gesamtwiderstand, d.h. der Eingangs-
und Ausgangswiderstand der Brückenschaltung
in einem von einer Spezifikation vorgegebenen Bereich bzw. auf einem
vorgegebenen Wert liegt. Ein solches Dehnungsmesselement 1 mit voneinander
abweichenden Widerstandswerten weist zudem eine Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes auf, die spezifikationsgemäß ebenfalls
eine bestimmte Höhe nicht übersteigen
soll.
-
In 2 ist
im einzelnen ein Schichtwiderstand 2 detaillierter dargestellt.
Der Schichtwiderstand 2 weist zwei Zuführungsbereiche 21 auf,
die über
eine geeignete Kontaktierung von außen elektrisch kontaktierbar
oder mit einem weite ren Schichtwiderstand in Verbindung stehen.
Die Zuführungsbereiche 21 stehen
mit zwei Anschlüssen
eines Widerstandsbereiches 23 in elektrischer Verbindung.
Der Widerstandsbereich 23 weist eine mäanderförmige Struktur auf, die in
ihrer Querrichtung Q die maximale Empfindlichkeit gegenüber Dehnung
und Stauchung erreicht und in ihrer Längsrichtung L eine geringere Empfindlichkeit
gegenüber
Dehnung und Stauchung aufweist. Der Schichtwiderstand 2 ist
in integrierter Weise auf einem Substrat (nicht gezeigt), z.B. einer verformbaren
Sensorfläche
eines Drucksensors und dgl. in selektiver Weise, z.B. mit Hilfe
von Lithographie- und Maskentechnik, aufgebracht und weist somit
eine im wesentlichen konstante Dicke auf. Das Material des Schichtwiderstandes
weist vorzugsweise eine NiCr-Si-Legierung
auf, die gegenüber
der Sensorfläche
mit Hilfe einer Isolationsschicht, zumeist aus SiO2,
isoliert wird. Das Material des Schichtwiderstandes ist üblicherweise
in amorpher Weise z. B. durch Sputtern aufgebracht.
-
Um
die Offsetspannung bzw. den Gesamtwiderstand der Brückenschaltung 1 abzustimmen,
wird gemäß dem Stand
der Technik mithilfe eines Schneidverfahrens ein Schnitt in den
Zuführungsbereich 21 durchgeführt und
dadurch der Widerstandswert des gesamten Schichtwiderstandes abgeglichen.
Der Schnitt wird vorzugsweise mit Hilfe eines Laserschneidverfahrens
durchgeführt,
wobei mit Hilfe eines Lasers die Widerstandsschicht des Schichtwiderstandes 2 aufgeschmolzen
und die Widerstandsschicht somit an der entsprechenden Stelle geteilt
wird. Durch das Aufschmelzen des Schichtmaterials bilden sich an
den Rändern
der beiden Teile des Schichtmaterials entlang der Schnittlinie Wulste, in
denen das amorphe Widerstandsmaterial beim Erstarren rekristallisiert.
Das rekristallisierte Schichtmaterial weist üblicherweise einen gegenüber dem
Widerstandsmaterial verschiedenen spezifischen Widerstand und verschiedenen
Temperaturkoeffizienten des Widerstandes auf. Je nachdem, an welcher Stelle
der Laserschnitt in dem Zuführungsbereich vorgenommen
wird, wird ein Steg 24 verschiedener Breite gebildet, der
den Zuführungsbereich
für eine vorbe stimmte
Länge verschmälert und
somit den Gesamtwiderstand des Schichtwiderstandes erhöht. Beispiele
für Positionen
der Schnittlinie im Zuführungsbereich
sind in den 3a und 3b angegeben.
Je länger
bei jedem einzelnen Schichtwiderstand der Laserschnitt ausgeführt wird,
desto größer ist
der Einfluss des unterschiedlichen spezifischen Widerstandes und
des unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des
Wulstes, der sich am Rande der Schnittlinie bildet. Dies führt dazu, dass
sich die Temperaturabhängigkeiten
der mit Hilfe des Laserschneidverfahrens abgestimmten Schichtwiderstände abhängig von
den Längen
der jeweiligen Schnitltinien unterscheiden und somit zu einer erhöhten Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes der Brückenschaltung führen kann.
Da sich die Länge
des Laserschnitts beim Abgleich der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes
der Brückenschaltung
z.B. daraus ergibt, indem während
des Abgleichprozesses, d.h. während
des Durchführens
des Laserschneidverfahrens die Offsetspannung bzw. der Gesamtwiderstand gemessen
wird, kann beim Durchführen
des Laserschneidverfahrens ein Einstellen der Temperaturabhängigkeit
nicht vorgenommen werden. Aus diesem Grunde ist erfindungsgemäß vorgesehen,
das Laserschneidverfahren in zwei Schritten auszuführen.
-
In
einem ersten Laserschneidverfahren, das vor dem eigentlichen Abgleichen
der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes ausgeführt wird,
wird in den Widerstandsbereich 23 ein erster Schnitt mit einer
vorbestimmten Länge
an dem Rand des Widerstandsbereichs ausgeführt, so dass ein Teil des Schichtmaterials
des Widerstandsbereichs aufschmilzt und in einem Wulst rekristallisiert.
Der Schnitt wird vorzugsweise so ausgeführt, dass sich die Breite des
Widerstandsbereichs 23 und somit der Widertandswert nicht
erheblich verringert, und dass ein Teil des Schichtmaterials des
Widerstandsbereichs 23 in einen Wulst umgewandelt wird,
der einen veränderten
Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist. In 4 ist
beispielhaft eine Position des ersten Laserschnittes an den Widerstandsbereich
dargestellt. Bei diesem ersten Laserschneidverfahren (Vorschnitt)
wird der Widerstandswert des Widerstandsbereichs 23 nicht
wesentlich verändert, sondern
lediglich sein Temperaturkoeffizient, so dass durch das erste Laserschneidverfahren
im wesentlichen nur der Temperaturkoeffizient des Widerstands des
Schichtwiderstandes beeinflusst wird und der Widerstandswert des
Schichtwiderstandes 2 nur in geringem Maße beeinflusst
wird. Dadurch lässt
sich der Temperaturkoeffizient des Schichtwiderstandes 2 bzw.
der Offsetspannung und/oder des Gesamtwiderstandes der Dehnungsmessschaltung,
in die der Schichtwiderstand 2 eingesetzt ist, möglichst
in gewünschter
Weise anpassen. Vorzugsweise wird durch das erste Laserschneidverfahren
die Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes der Brückenschaltung 1 in
den Bereich von 0 gebracht. In einem anschließenden zweiten Laserschneidverfahren
wird nun, wie aus dem Stand der Technik bekannt, die Offsetspannung bzw.
der Gesamtwiderstand der Brückenschaltung entsprechend
den spezifikationsgemäßen Vorgaben in
bekannter Weise eingestellt.
-
Die
Schneidlänge
beim Schneiden mit Hilfe des ersten Laserschneidverfahrens (Länge des
Vorschnitts) wird für
eine Anzahl von Dehnungsmesselementen einer Charge (mit denselben
Herstellungsprozessen hergestellten Elementen) gleich gewählt, wobei
die durchschnittliche Temperaturabhängigkeit der Brückenschaltungen über die
Anzahl der Dehnungsmesselemente vor dem Durchführen des ersten Laserschneidverfahrens
zugrunde gelegt wird. Mit Hilfe von Erfahrungswerten oder einem
Berechnungsmodell wird abhängig
von der ermittelten durchschnittlichen Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes ein oder mehrere
der Schichtwiderstände
ausgewählt
und diesen eine erste Schnittlänge
zugeordnet. Anschließend
werden die entsprechenden Schichtwiderstände mit Hilfe des ersten Laserschneidverfahrens
mit der gleichen ersten Schnittlänge
geschnitten (Vorschnitt).
-
Ein
wesentlicher Aspekt des ersten Laserschneidverfahrens besteht darin,
ein Aufschmelzen von Widerstandsmaterial des Schichtwiderstandes zu
erreichen, ohne den Gesamtwiderstandes maßgeblich zu verändern. Durch
das Aufschmelzen und Erstarren des Widerstandsmaterials im Widerstandsbereich
wird ein Wulst aus rekristallisiertem Widerstandsmaterial gebildet,
der den Temperaturkoeffizienten des Schichtwiderstandes beeinflusst.
-
Die
Stegbreite, die sich durch die Schnittlinie bei der Durchführung des
zweiten Laserschneidverfahrens ergibt, kann beispielsweise ein Viertel
bis die Hälfte
der ursprünglichen
Stegbreite des Zuleitungsbereichs betragen. D.h., bei einer Breite
des Zuleistungsbereichs von 200 μm
beträgt
die Stegbreite zwischen 50 und 100 μm.
-
In 5 ist
der Temperaturkoeffizient der Offsetspannung einer Brückenschaltung,
wie sie in 1 angegeben ist, für eine Anzahl
von Dehnungsmesselementen dargestellt. Es sind zwei Vergleichsgruppen
von Dehnungsmesselementen gebildet, wobei die mit den Quadraten
dargestellten Messwerte Dehnungsmesswerten entsprechend, die in
einem nächsten
Schritt mit dem ersten Laserschneidverfahren vorgeschnitten werden
sollen (mit Vorschnitt), und die mit einer Raute angegebenen Messwerte den
Dehnungsmesselementen entsprechen, die ohne Vorschnitt abgeglichen
werden sollen. In 5 erkennt man qualitativ, das
die Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung für
im wesentlichen alle Dehnungsmesselemente < 0 ist.
-
In 6 ist
nun für
beide Vergleichsgruppen von Dehnungsmesselementen der veränderte Temperaturkoeffizient
der Offsetspannung nach dem ersten Laserschneidverfahren dargestellt.
Man erkennt, dass nach dem Durchführen des ersten Laserschneidverfahrens
die entsprechend abgeglichenen Dehnungsmesselemente (Quadrate) einen
Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung aufweisen, der im Bereich
von etwa 0 liegt, d.h., der Wert des Temperaturkoeffizienten bewegt
sich in einem Bereich um 0%/°K.
-
Man
erkennt, dass sich durch das erste Laserschneidverfahren eine im
wesentlichen gleichmäßige Verschiebung
des Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung ergibt, ohne dass
hierbei die Streuung der Messwerte zunimmt. Folglich lassen sich
mit Hilfe des ersten Laserschneidverfahrens die Temperaturkoeffizienten
der Offsetspannung im wesentlichen auf Null angleichen.
-
Wie
in 7 dargestellt ist, wird nun mit Hilfe des zweiten
Laserschneidverfahrens jedes der Dehnungsmesselemente individuell
abgeglichen, so dass sich je nach notwendiger Schnittlänge eine
unterschiedliche Verschiebung des Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung
ergibt. Da spezifikationsgemäß die Temperaturkoeffizienten
der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes des Dehnungsmesselementes
innerhalb eines Toleranzbereiches um 0 herum liegen sollte, ist
es somit mit Hilfe des ersten Laserschneidverfahrens besser möglich, den Großteil der
Dehnungsmesselemente so abzugleichen, dass er innerhalb der Spezifikation
liegt. Dies ist bei den Dehnungsmesselementen, die nicht mit dem
ersten Laserschneidverfahren vorgeschnitten wurden, unter Umständen nicht
möglich,
da sich je nach erforderlicher Schnittlänge beim zweiten Laserschneidverfahren
der Temperaturkoeffizient der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes,
nicht mehr in dem von der Spezifikation vorgegebenen Bereich befindet.
In diesem Fall muss das Dehnungsmesselement verworfen werden.
-
Es
ist somit mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, die
Ausbeute beim Abgleichen der Schichtwiderstände, z.B. für ein Dehnungsmesselement,
zu erhöhen.
-
In 8 ist
eine Ausführungsform
eines Schichtwiderstandes dargestellt, mit dem beim Schneiden mit
Hilfe des zweiten Laserschneidverfahrens der Einfluss der Schnittlänge auf
den Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes
verringert werden kann. Dazu ist einer der Zufüh rungsbereiche 21 mit
Ausnehmungen 27 versehen, die bereits beim Herstellen des
Schichtwiderstandes 2 durch die Lithographie- und Maskentechnik
vorgesehen werden. Die Ausnehmungen 27 weisen daher an
ihren Rändern
keinen Wulst auf, der die Temperaturabhängigkeit in unerwünschter
Weise beeinflusst, da sie nicht durch einen Temperaturprozess, bei
dem das Widerstandsmaterial des Schichtwiderstandes aufgeschmolzen
wird, hergestellt werden. Die Ausnehmungen 27 sind in einer
Reihe in dem Zuführungsbereich 21 angeordnet,
wobei sich zwischen den Ausnehmungen Verbindungsabschnitte 28 befinden.
Die Reihe der Ausnehmungen 27 verläuft im wesentlichen entlang
der Richtung eines den Schichtwiderstand durchfließenden Stromes.
Beim Abgleichen des Schichtwiderstandes 2 mit Hilfe des zweiten
Laserschneidverfahrens werden nun die zwischen den Ausnehmungen 27 gebildeten
Verbindungsabschnitte 28 aus Widerstandsmaterial nacheinander
durchtrennt und währenddessen
bzw. nach jeden Durchtrennen eines der Stege die Offsetspannung
bzw. der Gesamtwiderstand der Brückenschaltung 1 gemessen.
Entsprechend dem gemessenen Wert wird entschieden, ob ein weiterer
Verbindungsabschnitt 28 durchtrennt werden soll oder nicht.
Insbesondere, wenn nach dem Durchtrennen eines der Verbindungsabschnitte 28 festgestellt
wird, dass die Offsetspannung bzw. der Gesamtwiderstand den gewünschten
Wert erreicht oder überschritten
hat, wird das zweite Laserschneidverfahren für das betreffende Dehnungsmesselement
beendet.
-
In
den 9 bis 11 sind analog zu den 5 bis 7 die
Temperaturkoeffizienten der Offsetspannungen für eine Anzahl von Dehnungsmesselementen
dargestellt, die jeweils einen Schichtwiderstand gemäß der Ausführungsform
der 8 aufweisen. Man erkennt in 10 ebenso
wie in 6, dass durch das erste Laserschneidverfahren
die Temperaturkoeffizienten im wesentlichen in einen Bereich um
0 gebracht werden können
und durch das Durchführen
des zweiten Laserschneidverfahrens gemäß 11 die
Offsetspannung bzw. der Gesamtwiderstand des Dehnungsmesselement
angepasst werden kann. Durch das Vorsehen der Verbindungsabschnitte 28 bzw.
der Ausnehmungen 27 in dem Zuführungsbereich 21 des
Schichtwiderstandes 2 ist die sich aus dem Anpassungsprozess
bei dem zweiten Laserschneidverfahren ergebende Streuung der Temperaturabhängigkeit
der Offsetspannung deutlich geringer, und im Beispiel der Quadrate
in 11 sehr stark reduziert verglichen zu den Rauten
in 7. Dies liegt daran, dass die Bereiche, in denen durch
das zweite Laserschneidverfahren in dem Zuführungsbereich ein Wulst aus
rekritallisiertem Widerstandsmaterial gebildet ist, deutlich gegenüber den
Beispielen der 3a und 3b reduziert
ist.
-
In 12 ist
eine weitere Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Schichtwiderstandes
dargestellt. Der Schichtwiderstand weist im Widerstandsbereich 23,
der mäanderförmig ausgebildet
ist, zwischen zwei Mäandern
stegförmige
Verbindungen auf, die selektiv durch das zweite Iraserschneidverfahren
durchtrennt werden können,
um den Widerstandswert des Schichtwiderstandes 2 anzupassen. Das
Durchtrennen erfolgt im wesentlichen nach dem gleichen Verfahren
wie zuvor beschrieben während des
Messens der Offsetspannung bzw. des Gesamtwiderstandes. Aufgrund
des gequantelten Charakters des Abgleichens bei einer solchen Ausgestaltung
des Schichtwiderstandes kann ein Abgleich des in der Brückenschaltung
gegenüberliegenden
Widerstandes notwendig sein.
-
- 1
- Brückenschaltung
- 2
- Schichtwiderstand
- 21
- Zuführungsbereich
- 22
- Kontakt
- 23
- Widerstandsbereich
- 24
- Steg
- 25
- Wulst
- 26
- Schnittbereich
- 27
- Ausnehmung
- 28
- Verbindungsabschnitt
- 29
- Schnittbereich