DE102014222606A1 - Sensor device and corresponding manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck, mit einer unter Druck verformbaren Membran und mit mindestens vier Messwiderständen, welche jeweils zwei Widerstandselemente aufweisen, wobei die zwei Widerstandselemente jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran angeordnet sind. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung.The present invention discloses a sensor device for detecting pressure, with a deformable under pressure membrane and at least four measuring resistors, each having two resistive elements, wherein the two resistive elements are each arranged electrically in series at different locations on and / or on the membrane. Furthermore, the present invention discloses a manufacturing method for a sensor device according to the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck und ein Herstellungsverfahren für eine Sensoreinrichtung.The present invention relates to a sensor device for detecting pressure and a manufacturing method for a sensor device.
Stand der TechnikState of the art
Drucksensoren werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise können Drucksensoren in Consumergeräten, wie z.B. Handys, Haushaltsgeräten, Gaswarnern oder dergleichen eingesetzt werden.Pressure sensors are used today in a variety of applications. For example, pressure sensors in consumer devices, such as Cell phones, household appliances, gas monitors or the like can be used.
Zur Druckmessung werden dabei häufig MEMS-basierte (Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme) Sensoren eingesetzt. Dabei wird üblicherweise eine Messbrücke auf einer unter Druck elastisch verformbaren Membran aufgebracht.For pressure measurement, MEMS-based (microelectromechanical systems) sensors are frequently used. In this case, usually a measuring bridge is applied to a pressure-elastically deformable membrane.
Die
Die Widerstandsmessbrücke besteht üblicherweise aus vier abwechselnd reihum angeordneten lateral und longitudinal druckempfindlichen piezoresistiven Elementen. Ein Verbiegen der Membran führt zu einer gegenläufigen Widerstandsänderung benachbarter Widerstande und damit zu einer veränderten Brückenspannung.The resistance measuring bridge usually consists of four alternately arranged in succession laterally and longitudinally pressure-sensitive piezoresistive elements. A bending of the membrane leads to an opposite change in resistance of adjacent resistors and thus to an altered bridge voltage.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The present invention discloses a sensor device having the features of patent claim 1 and a manufacturing method having the features of patent claim 9.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck, mit einer unter Druck verformbaren Membran und mit mindestens vier Messwiderständen, welche jeweils zwei Widerstandselemente aufweisen, wobei die zwei Widerstandselemente jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran angeordnet sind.Accordingly, it is provided:
A sensor device for detecting pressure, with a deformable under pressure membrane and having at least four measuring resistors, each having two resistive elements, wherein the two resistive elements are each arranged electrically in series at different locations on and / or on the membrane.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung, aufweisend Bereitstellen einer unter Druck verformbaren Membran, und Anordnen von mindestens vier Messwiderständen an und/oder auf der Membran, wobei jeder der mindestens vier Messwiderstände jeweils in Form von zwei Widerstandselementen, welche jeweils elektrisch in Serie an unterschiedlichen Orten an und/oder auf der Membran angeordnet werden, auf der Membran angeordnet wird.It is also provided:
A manufacturing method for a sensor device according to the invention, comprising providing a pressure-deformable membrane, and arranging at least four measuring resistors on and / or on the membrane, each of the at least four measuring resistors each in the form of two resistive elements, each electrically in series at different locations be arranged on and / or on the membrane, is arranged on the membrane.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass piezoresistive Widerstände sehr temperaturempfindlich sind. Besonders kritisch ist ein Temperaturgradient auf der Membran, da hier nicht mehr zwischen temperaturinduzierter und druckinduzierter Widerstandsänderung unterschieden werden kann.The finding underlying the present invention is that piezoresistive resistors are very temperature sensitive. Particularly critical is a temperature gradient on the membrane, since no distinction can be made here between temperature-induced and pressure-induced change in resistance.
Ein Gradient wird z.B. durch den Betrieb benachbarter leistungsintensiver Bauelemente hervorgerufen. Um einen Temperaturgradienten zu ermitteln, sind bisher mindestens 2 unterschiedliche temperaturempfindliche Elemente, i.d.R. Dioden oder Widerstände, nötig. Neben dem erhöhten Platzbedarf bestehen auch extreme Anforderungen an die Messgenauigkeit, da bereits Gradienten im Millikelvin-Bereich die Druckerfassung merklich beeinflussen.A gradient is e.g. caused by the operation of adjacent power-intensive components. In order to determine a temperature gradient, at least 2 different temperature-sensitive elements, i.d.R. Diodes or resistors, necessary. In addition to the increased space requirement, there are also extreme demands on the measuring accuracy, since even gradients in the millikelvin range noticeably influence the pressure detection.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, die Temperaturabhängigkeit der Messwiderstände der Sensoreinrichtung zu verringern.The idea on which the present invention is based now consists in taking this knowledge into account and providing a possibility for reducing the temperature dependence of the measuring resistances of the sensor device.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, dass jeder der vier Messwiderstände aus zwei Widerstandselementen aufgebaut wird, welche elektrisch in Serie aber an unterschiedlichen Orten auf oder an der Membran der Sensoreinrichtung angeordnet werden.For this purpose, the present invention provides that each of the four measuring resistors is constructed from two resistance elements which are arranged electrically in series but at different locations on or on the membrane of the sensor device.
Dies ermöglicht die Anordnung der einzelnen Widerstandselemente der Sensoreinrichtung in einer Art und Weise, die die Einflüsse der Temperatur auf einen Messwiderstand in dem jeweils benachbarten Messwiderstand repliziert und dadurch die Sensoreinrichtung unempfindlicher gegenüber Temperaturunterschieden macht.This enables the arrangement of the individual resistance elements of the sensor device in a manner which replicates the influences of the temperature on a measuring resistor in the respectively adjacent measuring resistor and thereby makes the sensor device more insensitive to temperature differences.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
In einer Ausführungsform sind die zwei Widerstandselemente jedes der mindestens vier Messwiderstände derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran in einer gemeinsamen vorgegebenen Richtung das gleiche Vorzeichen aufweisen. Dies ermöglicht die Anordnung der jeweils zwei Widerstandselemente an unterschiedlichen Orten, ohne die Funktion des jeweiligen Messwiderstands zu verändern.In one embodiment, the two resistance elements of each of the at least four measuring resistors are arranged and / or formed such that their resistance changes have the same sign when the membrane is deformed in a common predetermined direction. This allows the arrangement of each two resistive elements at different locations, without changing the function of the respective measuring resistor.
In einer Ausführungsform sind die vier Messwiderstände in Form einer Messbrücke angeordnet. Ferner weist die Messbrücke einen positiven Versorgungsanschluss und einen negativen Versorgungsanschluss und einen positiven Messanschluss und einen negativen Messanschluss auf. Dies ermöglicht eine einfache Auswertung der Verformung der Membran.In one embodiment, the four measuring resistors are arranged in the form of a measuring bridge. Furthermore, the measuring bridge has a positive Supply connection and a negative supply connection and a positive measuring connection and a negative measuring connection. This allows a simple evaluation of the deformation of the membrane.
In einer Ausführungsform ist der erster der Messwiderstände mit dem positiven Versorgungsanschluss und dem positiven Messanschluss gekoppelt.In an embodiment, the first of the sensing resistors is coupled to the positive supply terminal and the positive sensing terminal.
In einer Ausführungsform ist der zweite der Messwiderstände mit dem positiven Versorgungsanschluss und dem negativen Messanschluss gekoppelt.In one embodiment, the second of the sensing resistors is coupled to the positive supply terminal and the negative sensing terminal.
In einer Ausführungsform ist der dritte der Messwiderstände mit dem negativen Versorgungsanschluss und dem positiven Messanschluss gekoppelt.In one embodiment, the third of the sense resistors is coupled to the negative supply terminal and the positive sense terminal.
In einer Ausführungsform ist der vierte der Messwiderstände mit dem negativen Versorgungsanschluss und dem negativen Messanschluss gekoppelt.In an embodiment, the fourth of the sensing resistors is coupled to the negative supply terminal and the negative sensing terminal.
In einer Ausführungsform ist das erste Widerstandselement des ersten Widerstands gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement des zweiten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet. In einer Ausführungsform ist das zweite Widerstandselement des ersten Widerstands gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement des zweiten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet.In one embodiment, the first resistance element of the first resistor is arranged together with the first resistance element of the second resistance at a location of the membrane. In one embodiment, the second resistance element of the first resistor is arranged together with the second resistance element of the second resistance at a location of the membrane.
In einer Ausführungsform ist das erste Widerstandselement des dritten Widerstands gemeinsam mit dem ersten Widerstandselement des vierten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet. In einer Ausführungsform ist das zweite Widerstandselement des dritten Widerstands gemeinsam mit dem zweiten Widerstandselement des vierten Widerstands an einem Ort der Membran angeordnet.In one embodiment, the first resistance element of the third resistor is arranged together with the first resistance element of the fourth resistance at a location of the membrane. In one embodiment, the second resistance element of the third resistor is arranged together with the second resistance element of the fourth resistance at a location of the membrane.
In einer Ausführungsform sind anstelle des ersten Messwiderstands und des zweiten Messwiderstands bzw. des dritten Messwiderstands und des vierten Messwiderstands z.B. der erste Messwiderstand mit dem vierten Messwiderstand und der zweite Messwiderstand mit dem dritten Messwiderstand ineinander verschachtelt. Dabei sind die einzelnen Widerstandselemente analog zu dem oben beschriebenen angeordnet.In one embodiment, instead of the first measuring resistor and the second measuring resistor or the third measuring resistor and the fourth measuring resistor, e.g. the first measuring resistor with the fourth measuring resistor and the second measuring resistor with the third measuring resistor interleaved. The individual resistance elements are arranged analogously to that described above.
Kritisch für die Druckmessung ist nur der Temperaturgradient jeweils zweier benachbarter Messwiderstände, also des ersten und zweiten Messwiderstands und des dritten und vierten Messwiderstands oder des zweiten und dritten Messwiderstandes und des vierten und ersten Messwiderstandes. Es müssen also jeweils zwei sich gegenüber liegende Pärchen von Messwiderständen temperaturkonstant gehalten werden.Critical to the pressure measurement is only the temperature gradient of two adjacent measuring resistors, ie the first and second measuring resistor and the third and fourth measuring resistor or the second and third measuring resistor and the fourth and first measuring resistor. In other words, two pairs of opposite measuring resistors must be kept constant in temperature.
Ist die Temperatur des ersten und des zweiten Messwiderstands gleich und die Temperatur des dritten und vierten Messwiderstands gleich, so verschieben sich die Potentiale an dem positiven und dem negativen Messanschluss gleichermaßen. Der Arbeitspunkt der Ausleseschaltung ändert sich, das differentielle Signal der Messbrücke bleibt aber konstant. Der Gesamtwiderstand ergibt sich nun aus dem Mittelwert zweier an den jeweiligen Orten herrschenden Temperaturen. Einen Einfluss auf die Messung hat daher nur noch der Temperaturgradient zwischen den jeweils an einem Ort angebrachten Widerstandselementen. Dieser liegt jedoch um Größenordnungen unterhalb des Gesamttemperaturgradienten. Folglich kann die Messung des Drucks gegenüber äußeren Temperatureinflüssen unabhängiger gestaltet werden. Sind z.B. die Temperaturen des zweiten Messwiderstands und des dritten Messwiderstands sowie des vierten Messwiderstands und des ersten Messwiderstands gleich, fließen verschiedene Ströme in den parallelen Zweigen, das Potential am Messanschluss verschiebt sich aber nicht.If the temperature of the first and the second measuring resistor is the same and the temperature of the third and fourth measuring resistor is the same, then the potentials at the positive and the negative measuring terminals likewise shift. The operating point of the readout circuit changes, but the differential signal of the measuring bridge remains constant. The total resistance now results from the average value of two temperatures prevailing at the respective locations. An influence on the measurement therefore only has the temperature gradient between each of the resistor elements attached to a location. However, this is orders of magnitude below the total temperature gradient. Consequently, the measurement of the pressure can be made more independent of external temperature influences. Are e.g. the temperatures of the second measuring resistor and the third measuring resistor and the fourth measuring resistor and the first measuring resistor equal, different currents flow in the parallel branches, but the potential at the measuring connection does not shift.
In einer Ausführungsform sind die jeweils gemeinsam an einem Ort angeordneten Widerstandselemente derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass deren Widerstandsänderungen bei einer Verformung der Membran unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Dies ermöglicht es, die Funktion der Messbrücke aufrechtzuerhalten, auch, wenn die einzelnen Messwiderstände aus jeweils zwei Widerstandselementen bestehen.In one embodiment, the resistance elements arranged in each case jointly at one location are arranged and / or formed such that their resistance changes have different signs when the membrane is deformed. This makes it possible to maintain the function of the measuring bridge, even if the individual measuring resistors each consist of two resistance elements.
In einer Ausführungsform sind die mindestens vier Messwiderstände als piezoresistive Widerstände ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der Messwiderstände gemeinsam mit den weiteren Strukturen der Sensoreinrichtung z.B. in einem MEMS-Herstellungsprozess.In one embodiment, the at least four measuring resistors are designed as piezoresistive resistors. This allows a simple production of the measuring resistors together with the further structures of the sensor device, e.g. in a MEMS manufacturing process.
In einer Ausführungsform sind die Widerstandselemente als meanderförmige Strukturen mit mindestens einer Schlaufe ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Festlegung des Vorzeichens der Widerstandsänderung des jeweiligen Widerstandselements..In one embodiment, the resistance elements are formed as meander-shaped structures with at least one loop. This allows a simple determination of the sign of the change in resistance of the respective resistor element.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can, if appropriate, combine with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, while the The skilled person will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. It shows:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - have been given the same reference numerals.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Sensoreinrichtung
Die Sensoreinrichtung
In
In einer Ausführungsform stellen die Widerstandselemente
Der Gesamtwiderstand eines der Messwiderstände
Wie
In einer Ausführungsform sind anstelle des ersten Messwiderstands
Das Verfahren sieht das Bereitstellen, S1, einer unter Druck
Beim Anordnen, S2, wird jeder der mindestens vier Messwiderstände
Insbesondere können jeweils die zwei Widerstandselemente
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden die vier Messwiderstände
Bei Anordnung der Messwiderstände
Der zweite der Messwiderstände
Die Anordnung der Widerstandselemente
Die jeweils gemeinsam an einem Ort angeordneten Widerstandselemente
In einer Ausführungsform werden die vier Messwiderstände
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann z.B. zur Herstellung eines mikroelektromechanischen oder MEMS-basierten Sensors eingesetzt werden. Dabei können z.B. Halbleiterherstellungsprozesse angewendet werden.The production method according to the invention can e.g. be used for the production of a microelectromechanical or MEMS-based sensor. Thereby, e.g. Semiconductor manufacturing processes are applied.
Die Sensoreinrichtung
Ferner zeigen die einzelnen Widerstandselemente
Durch die Anordnung der Schlaufe kann jeweils das Vorzeichen der Widerstandsänderung festgelegt werden, welche das jeweilige Widerstandselement
Wird die Schlaufe der meanderförmigen Struktur eines Widerstandselements
Die Anordnung der meanderförmigen Struktur in
In
Bei dieser herkömmlichen Anordnung der Brückenwiderstände R1–R4 können unterschiedliche Temperaturen der Brückenwiderstände R1–R4 nur durch eine aufwändige Messung der jeweiligen Temperatur kompensiert werden.In this conventional arrangement of the bridge resistors R1-R4 different temperatures of the bridge resistors R1-R4 can be compensated only by a complex measurement of the respective temperature.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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