Piezoresistive Drucksensoren bestehen aus einer Wheatstone-Brücke auf Siliziumbasis. Die integrierten piezoresistiven Messwiderstände sind in eine Biegeplatte integriert, die selektiv und sensibel ihren mechanischen Spannungszustand druckabhängig ändern. Zur Erhöhung der Sensitivität und zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit sind die Messwiderstände als Messbrücke angeordnet.
Hochgenaue Drucksensoren erfordern eine aufwendige Kalibrierung, vor allem bedingt durch die nichtlinearen Abhängigkeiten des Messsignals von Druck und Temperatur. Diese Kosten übersteigen den Chippreis um ein Vielfaches. Der Aufwand für die Kalibrierung über den gesamten Einsatzbereich kann bis zu 30% der Herstellkosten betragen.
Mit einem optimierten Layout der Messbrücke unter Ausnutzung des Längseffektes wurde ein neuer Sensor optimiert und realisiert mit folgenden Parametern:
- Minimaler Temperaturkoeffizient des Nullpunktes
- Differenzdrucksensor mit der integrierten Option, den Absolutdruck zu bestimmen
- Minimaler Einfluss der mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch die Montage, auf das Messsignal
- Minimale Druck- und Temperaturhysterese
Für die Messbrücke des Sensors wurden nur longitudinal belastete Messwiderstände verwendet, wobei zwei im positiven mechanischen Spannungsgebiet und die anderen beiden im negativen Spannungsgebiet liegen. Hohe mechanische Spannungen in der Mitte der Biegeplatte können dazu führen, dass der gewünschte Longitudinaleffekt durch den Transversaleffekt zu einem großen Teil kompensiert werden kann.
In der optimierten Variante werden Messwiderstände aus <110> p-Silizium verwendet. Sind diese in Richtung <110> orientiert, wird nur der Längseffekt aktiviert. Somit wird die Empfindlichkeit erhöht. Alle Messwiderstände verhalten sich exakt identisch und minimieren dadurch die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals (Offset). Zudem wird die Linearität der Temperaturabhängigkeit des Messspanne erhöht und die Empfindlichkeit des Messsignals gegenüber der Montagespannung verringert.
Diese Eigenschaften werden mit einer anodische gebondeten Rückplatte aus Borosilikatglas erreicht.
Diese Optimierung verringert den Temperaturkoeffizienten des Nullpunktes sowie der Messspanne. Damit werden der Kalibrieraufwand, potentielle Fehlerquellen und Kosten reduziert.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt „Drucksensor aus <110> Silizium mit erhöhter Linearität“ (DS <110>) wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.
FKZ: 49MF1890023
