DE19743216A1 - Halbleiterdrucksensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen auf einem Halbleitersubstrat gebildeten Drucksensor und im ein­ zelnen auf das Einstellen einer Bezugsspannung in einer Periphe­ rieschaltung des Drucksensors auf dem Halbleitersubstrat.

Auf einem Halbleitersubstrat gebildete Drucksensoren umfassen im allgemeinen eine Druckerfassungsschaltung und eine Peripherie­ schaltung zum Kompensieren temperaturabhängiger Änderungen, um dadurch eine Ausgangscharakteristik einzustellen. Diese Periphe­ rieschaltung hat die Aufgabe, eine durch die Druckerfassungs­ schaltung als Funktion der an dem Drucksensor anliegenden Druck­ höhe erzeugte Mikrospannung äußerst naturgetreu zu verstärken. Dementsprechend umfaßt die Peripherieschaltung im allgemeinen einen Differenzverstärker, der beispielsweise als Operationsver­ stärker ausgebildet sein kann. Bei dem auf dem Halbleiter­ substrat gebildeten Drucksensor werden die Druckerfassungsschal­ tung und ein Teil der Peripherieschaltung, wie beispielsweise der Operationsverstärker, gemeinsam auf dem Halbleitersubstrat integriert.

Dementsprechend wird die Bezugsspannung im allgemeinen durch zwei seriell zwischen eine Spannungsquelle und Masse geschaltete Widerstände aufgeteilt, wenn Eingangsanschlüsse des Operations­ verstärkers und/oder eine zur Differenzverstärkung erforderliche Bezugsspannungsquelle außerhalb einer die Druckerfassungsschal­ tung und den Abschnitt der Peripherieschaltung enthaltenden in­ tegrierten Schaltungsplatine gebildet werden sollen.

Dem Fachmann ist bekannt, daß die Bezugsspannung eine uner­ wünschte Temperaturabhängigkeit aufweist und sich daher in Ab­ hängigkeit der Temperatur ändert, falls die zur Einstellung der Bezugsspannung verwendeten Widerstände entsprechende voneinander verschiedene Temperaturkoeffizienten aufweisen. Unter der Annah­ me, daß der auf dem Halbleitersubstrat gebildete Drucksensor (nachfolgend als Halbleiterdrucksensor bezeichnet) eine Verstär­ kung des Drucksignals durch die Peripherieschaltung auf das 10 bis 200fache erfordert, wird diese temperaturabhängige Änderung der Bezugsspannung entsprechend verstärkt, was zu einem durch den Halbleiterdrucksensor hervorgerufenen Erfassungsfehler führt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbes­ serten Halbleiterdrucksensor bereitzustellen, in dem ein Erfas­ sungsfehler minimiert wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Halbleiterdrucksensor mit einem Substrat, einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiter­ druckerfassungselement mit einem Druckdetektor mit zwei An­ schlüssen, der zwischen den beiden Anschlüssen eine zu einem an dem Drucksensor anliegenden Druck proportionale geringe Poten­ tialdifferenz erzeugt, und eine Peripherieschaltung zum Durch­ führen einer Differenzverstärkung der geringen Potentialdiffe­ renz basierend auf einer an dieser anliegenden Bezugsspannung, einer Bezugsspannungseinstellwiderstandseinrichtung zum Einstel­ len der Bezugsspannung auf einen vorbestimmten Wert, und einer Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung zum Kompensieren eines in dem Druckdetektor als Folge einer Temperaturänderung erzeugten Fehlers und ebenso eines in der Peripherieschaltung durch eine aus der Temperaturänderung resultierende Änderung der Bezugsspannung hervorgerufenen Fehlers.

Alternativ wird die Aufgabe gelöst durch einen Halbleiterdruck­ sensor mit einem Substrat, einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterdruckerfassungselement mit einem Druckdetektor mit zwei Anschlüssen, der zwischen den beiden Anschlüssen eine zu einem an dem Drucksensor anliegenden Druck proportionale geringe Potentialdifferenz erzeugt, und einer Peripherieschaltung zum Durchführen einer Differenzverstärkung der geringen Potential­ differenz basierend auf einer an dieser anliegenden Bezugsspan­ nung, und zumindest einem Paar von zwischen einer Spannungsquel­ le und Masse seriell geschalteten Bezugsspannungseinstellwider­ ständen zum Einstellen der Bezugsspannung auf einen vorbestimm­ ten Wert, wobei die Bezugsspannungseinstellwiderstände des Paars aus demselben Los hergestellter Widerstände gewählt werden.

Vorzugsweise werden die Bezugsspannungseinstellwiderstände des Paars auf demselben Substrat unter Verwendung desselben Los ei­ nes Widerstandsmaterials gebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, wobei die Zeichnung einen Schaltplan eines er­ findungsgemäßen Halbleiterdrucksensors zeigt.

Bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung umfaßt der erfin­ dungsgemäße Halbleiterdrucksensor ein Substrat 20, das durch ei­ ne gedruckte Schaltungsplatine aus Keramik oder jedem anderen geeigneten Material gebildet sein kann und Elektroden und eine aufgedruckte Schaltungsverdrahtung aufweist, und einen Halblei­ ter-IC-Chip 7, der fest auf der Schaltungsplatine 20 montiert ist. Der Halbleiter-IC-Chip 7 enthält Operationsverstärker OP1, OP2, OP3 und OP4 und Widerstände 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11 und 12 und einen Druckdetektor 100, der die Form einer Brückenschaltung aufweist mit piezoelektrischen Widerständen 101, 102, 103 und 104.

Ein außerhalb des durch den Halbleiter-IC-Chip 7 eingenommenen Abschnitts befindlicher Teil der gedruckten Schaltungsplatine 20 wird gebildet mit ersten Bezugsspannungseinstellwiderständen R1 und R2 zum Bereitstellen einer Bezugsspannung VR1 für den Opera­ tionsverstärker OP1, zweiten Bezugsspannungseinstellwiderständen R13 und R14 zum Bereitstellen einer Bezugsspannung VR3 für den Operationsverstärker OP4, Temperaturkompensationswiderständen Rca und Rcb, die eine Peripherieschaltung für den Druckdetektor 100 bilden und zum Kompensieren eines aus einer Temperaturände­ rung resultierenden Fehlers dienen, einem Empfindlichkeitsein­ stellwiderstand R7 und einem Empfindlichkeitskorrekturwiderstand R8.

Die Operationsverstärker OP1 und OP2 und Widerstände 3 bis 6 bilden gemeinsam einen Differenzverstärker. Die Widerstände 3 und 6 weisen entsprechende, miteinander übereinstimmende Wider­ standswerte r3 und r6 auf und die Widerstände 4 und 5 entspre­ chende, miteinander übereinstimmende Widerstandswerte r4 und r5, und somit kann eine Verstärkung G_OP12 dieses Differenzverstärkers ausgedrückt werden durch (r6/r5 + 1). Der Operationsverstärker OP3 bildet einen invertierenden Verstärker mit einer durch (r8.r_LTR)/[(r8 + r_LTR).r7] ausgedrückten Verstärkung G_OP3, wobei r7, r8 und r_LTR Widerstandswerte der Widerstände R7, R8 bzw. LTR kenn­ zeichnen. Der Operationsverstärker OP4 bildet in ähnlicher Weise einen invertierenden Verstärker mit einer durch (r10/r9) ausge­ drückten Verstärkung G_OP4, wobei r9 und r10 Widerstandswerte der Widerstände R9 bzw. R10 angeben.

Der Druckdetektor 100 ist in Form der die aus Diffusionswider­ ständen gebildeten piezoelektrischen Widerstände 101 bis 104 aufweisenden Brückenschaltung gebildet. Die entsprechenden Wi­ derstandswerte dieser Widerstände 101 bis 104 sind so gewählt, daß die entsprechenden Spannungen V- und V+ an Anschlüssen T10 und T9 Vcc/2 betragen, solange kein Druck anliegt, wobei Vcc ei­ ne Versorgungsspannung angibt, wogegen eine Potentialdifferenz von einigen zehn Millivolt bis zu hundert und einigen zehn Mil­ livolt zwischen den Anschlüssen T10 und T9 entsteht, wenn ein Nenndruck angelegt wird. Bei dem Halbleiterdrucksensor gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die durch den Druckdetek­ tor 100 erzeugte Potentialdifferenz durch die Operationsverstär­ ker OP1 bis OP4 verstärkt und ausgegeben. Durch geeignetes Ein­ stellen des Widerstandswert r7 des Empfindlichkeitseinstellwider­ stands R7 auf einen vorbestimmten Wert, kann die Empfindlichkeit des Drucksensors auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wer­ den.

Es wurde jedoch festgestellt, daß der tatsächlich hergestellte Halbleiterdrucksensor selbst bei nichtanliegendem Druck zum Er­ zeugen einer Potentialdifferenz (oder einer Offset-Spannung) zwischen den entsprechenden Spannungen V- und V+ an den An­ schlüssen T10 und T9 neigt, da die Widerstandswerte bei der Her­ stellung der Widerstände variieren. Diese Offset-Spannung ist im allgemeinen nicht höher als einige zehn Millivolt und hinsicht­ lich einer Änderung dieser Offset-Spannung muß der Widerstands­ wert r1 des Bezugsspannungseinstellwiderstands R1 zum Einstellen der dem Operationsverstärker OP1 zugeführten Bezugsspannung VR1 so eingestellt werden, daß die entsprechenden Potentiale an An­ schlüssen T5 und T7 miteinander in Übereinstimmung gebracht wer­ den. Durch diese Maßnahme fließt während einem Offset-Zustand (d. h. solange kein Druck anliegt) kein elektrischer Strom durch den Empfindlichkeitseinstellwiderstand R7, und daher kann jede mögliche gegenseitige Beeinflussung zwischen der Offset-Spannung und der Ausgangsempfindlichkeit in vorteilhafter Weise vermieden werden. Somit kann die Ausgangsempfindlichkeit ohne Änderung der Offset-Spannung eingestellt werden. Nachdem dieses durchgeführt wurde, muß der Bezugsspannungseinstellwiderstand R13 so einge­ stellt werden, daß ein Ausgabewert mit einem bestimmten Wert übereinstimmt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel dienen die Temperatur­ kompensationswiderstände Rca und Rcb zum Kompensieren von tempe­ raturabhängigen Änderungen der Offset-Spannung, so daß die Offset-Spannung bei nichtanliegendem Druck trotz Temperatur­ schwankungen auf einem vorbestimmten Wert beibehalten werden kann. Mit anderen Worten werden die entsprechenden Widerstands­ werte r_ca und r_cb der Temperaturkompensationswiderstände Rca und Rcb und ihre Temperaturkoeffizienten auf Grundlage eines Tempe­ raturkoeffizienten der Potentialdifferenz zwischen den Spannun­ gen V- und V+ des Druckdetektors 100 gewählt. Im einzelnen wer­ den bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die entsprechenden Widerstandswerte r_ca und r_cb der Temperaturkompensationswider­ stände Rca und Rcb und ihre Temperaturkoeffizienten gewählt durch anfängliches Bestimmen einer temperaturabhängigen Änderung ΔVR1 der Bezugsspannung VR1 und einer temperaturabhängigen Ände­ rung ΔVR3 der Bezugsspannung VR3, nachfolgendes Umwandeln der temperaturabhängigen Änderungen ΔVR1 und ΔVR3 in entsprechende Temperaturkoeffizienten der Potentialdifferenz zwischen den Spannungen V- und V+ des Druckdetektors 100 unter Verwendung der nachfolgenden Gleichungen (1) und (2), und abschließendes Be­ rechnen eines Gesamttemperaturkoeffizienten, der durch Addieren eines Temperaturkoeffizienten des alleinigen Druckdetektors 100 zu den so umgewandelten Temperaturkoeffizienten erhalten wird:

K1 = ΔVR1/G_OP12 (1)

K2 = (G_OP4 + 1) × ΔVR3/(G_OP12 × G_OP3 × G_OP4) (2)

wobei K1 die in einen Driftwert des Druckdetektors 100 umgewan­ delte Änderung ΔVR1 darstellt, K2 die in einem Driftwert des Druckdetektors 100 umgewandelte Änderung ΔVR3, G_OP12 die Verstär­ kung des aus den Operationsverstärkern OP1 und OP2 gebildeten Differenzverstärkers, und G_OP3 und G_OP4 die entsprechenden Verstär­ kungen der Operationsverstärker OP3 und OP4.

Somit ist das dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel so ausgestaltet, daß sowohl eine Kompensation temperaturabhängi­ ger Änderungen der in dem Druckdetektor 100 erzeugten Potential­ differenz als auch eine Kompensation der entsprechenden Änderun­ gen ΔVR1 und ΔVR3 durch die Verwendung der Widerstände Rca und Rcb erzielt wird. Wie vorstehend erläutert, kann durch die vor­ liegende Erfindung ein Halbleiterdrucksensor mit extrem mini­ miertem Fehler bereitgestellt werden, da jeder durch temperatur­ abhängige Änderungen in dem Druckdetektor 1 hervorgerufene mög­ liche Fehler und ebenso jeder durch temperaturabhängige Änderun­ gen in der Peripherieschaltung hervorgerufene mögliche Fehler in zufriedenstellender Weise kompensiert werden kann.

Es ist zu beachten, daß die Widerstände R1 und R2 und in glei­ cher Weise die Widerstände R13 und R14 aus demselben Los herge­ stellter Widerstände gewählt werden können. In jedem Falle ist jeder dieser Widerstände R1, R2, R13 und R14 vorzugsweise in Form entweder eines Dickfilm-Chipwiderstands oder eines Dünn­ film-Chipwiderstands gebildet. In einem solchen Fall kann der Widerstand R1 ein Trimm-Chipwiderstand und der Widerstand R2 entweder ein Standard- oder ein Trimm-Chipwiderstand sein.

Durch Auswählen der Widerstände R1 und R2 aus demselben Los her­ gestellter Widerstände und der Widerstände R13 und R14 aus dem­ selben Los hergestellter Widerstände, ist sowohl bei den Wider­ ständen R1 und R2 als auch bei den Widerständen R13 und R14 ein gleicher Temperaturkoeffizienten erzielbar, und daher kann die temperaturabhängige Änderung jeder der Bezugsspannungen in vor­ teilhafter Weise minimiert werden, um dadurch die Fehlerwahr­ scheinlichkeit in der Peripherieschaltung zu minimieren.

Alternativ dazu können die Widerstände R1 und R2 durch auf dem­ selben Substrat gebildete Dickfilm-Widerstände unter Verwendung desselben Los von Widerstandsmaterialien (beispielsweise diesel­ be Widerstandspaste) gebildet werden, und in gleicher Weise kön­ nen die Widerstände R13 und R14 als Dickfilm-Widerstände auf demselben Substrat unter Verwendung desselben Los von Wider­ standsmaterialien gebildet werden. Gemäß diesem anderen Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die temperaturab­ hängige Änderung jeder der Bezugsspannungen in vorteilhafter Weise minimiert werden, um dadurch die Fehlerwahrscheinlichkeit in der Peripherieschaltung zu minimieren, da bei den Widerstän­ den R1 und R2 und ebenso bei den Widerständen R13 und R14 der­ selbe Temperaturkoeffizient möglich ist.

Es wird ein Halbleiterdrucksensor offenbart mit einem Substrat mit darauf angebrachtem Halbleiterdruckerfassungselement. Das Druckerfassungselement enthält einen Druckdetektor mit zwei An­ schlüssen zum Erzeugen einer zu einem an dem Drucksensor anlie­ genden Druck proportionalen geringen Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen, und eine Peripherieschaltung zum Durch­ führen einer Differenzverstärkung der geringen Potentialdiffe­ renz basierend auf einer an dieser anliegenden Bezugsspannung. Zum Einstellen der Bezugsspannung auf einen vorbestimmten Wert sind Bezugsspannungseinstellwiderstände vorgesehen. Ebenso sind Temperaturkompensationswiderstände vorgesehen zum Kompensieren eines als Folge einer Temperaturänderung in dem Druckdetektor erzeugten Fehlers und eines durch eine aus der Temperaturände­ rung resultierende Änderung der Bezugsspannung in der Periphe­ rieschaltung hervorgerufenen Fehlers.

Claims (3)

1. Halbleiterdrucksensor mit:

• a) einem Substrat (20),
• b) einem auf dem Substrat (20) angeordneten Halbleiterdrucker­ fassungselement mit einem Druckdetektor (100) mit zwei Anschlüs­ sen (T9, T10), der zwischen den beiden Anschlüssen (T9, T10) ei­ ne zu einem an dem Drucksensor anliegenden Druck proportionale geringe Potentialdifferenz erzeugt, und eine Peripherieschaltung (7) zum Durchführen einer Differenzverstärkung der geringen Po­ tentialdifferenz basierend auf einer an dieser anliegenden Be­ zugsspannung,
• c) einer Bezugsspannungseinstellwiderstandseinrichtung (R1, R2, R13, R14) zum Einstellen der Bezugsspannung auf einen vorbe­ stimmten Wert, und
• d) einer Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung (Rca, Rcb) zum Kompensieren eines in dem Druckdetektor (100) als Folge einer Temperaturänderung erzeugten Fehlers und ebenso eines in der Peripherieschaltung (7) durch eine aus der Temperaturände­ rung resultierende Änderung der Bezugsspannung hervorgerufenen Fehlers.

2. Halbleiterdrucksensor mit:

• a) einem Substrat (20),
• b) einem auf dem Substrat angeordneten Halbleiterdruckerfas­ sungselement mit einem Druckdetektor (100) mit zwei Anschlüssen (T9, T10), der zwischen den beiden Anschlüssen (T9, T10) eine zu einem an dem Drucksensor anliegenden Druck proportionale geringe Potentialdifferenz erzeugt, und einer Peripherieschaltung (7) zum Durchführen einer Differenzverstärkung der geringen Poten­ tialdifferenz basierend auf einer an dieser anliegenden Bezugs­ spannung, und
• c) zumindest einem Paar von zwischen einer Spannungsquelle und Masse seriell geschalteten Bezugsspannungseinstellwiderständen (R1, R2, R13, R14) zum Einstellen der Bezugsspannung auf einen vorbestimmten Wert, wobei die Bezugsspannungseinstellwiderstände (R1, R2, R13, R14) des Paars aus demselben Los hergestellter Wi­ derstände gewählt werden.

3. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 2, wobei die Bezugsspannungseinstellwiderstände (R1, R2, R13, R14) des Paars auf demselben Substrat (20) unter Verwendung desselben Los eines Widerstandsmaterials gebildet sind.