DE2945185A1

DE2945185A1 - Halbleiter-druckmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2945185A1
Application number: DE19792945185
Authority: DE
Inventors: Ryuzo Noda; Shunji Shirouzu
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1979-11-08
Publication date: 1980-09-25
Also published as: US4300395A; DE2945185C2

Description

Halbleiter-Druckmeßvorrichtung Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Druckmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Temperaturkompensation für diese Vorrichtung.

Es sind Halbleiter-Druckmeßvorrichtungen in Gebrauch, bei denen in einer Brückenschaltung als druckempfindliche Meßwiderstände Diffusionswiderstände eines Halbleiters verwendet werden. Da bei einer solchen Vorrichtung die charakteristische Änderung des MeßwiderstanJes abhängig von der Temperatur einen größeren Einfluß auf das Meßergebnis hat, führt eine Temperaturkompensation zu einer Verbesserung der Leistung der Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung. Meßwiderstände R1, R2 sind in einer Oberflächenzone eines Substrats aus Halbleitereinkristall ausgebildet und zeigen Widerstandsänderungen in entgegengesetzten Richtungen entsprecbend dem angelegten Druck. Aus diesen Widerständen R1, R2 und druckunempfindlichen Widerständen R3, R4 ist eine Brückenschaltung gebildet. Mit der Brückenschaltung ist eine Konstan -.-

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strom- bzw. Konstantspannungsquelle VE verbunden. Die Brückenschaltung nimmt einen Gleichgewichtszustand an, wenn kein Druck anliegt. Wird Druck angelegt, gerät die Brückenschaltung in einen Ungleichgewichtszustand, bei dem eine Spannung ^V abhängig vom anliegenden Druck an der Brücke abgegriffen werden kann. Grundsätzlich gilt für eine solche Brückenschaltung, daß, wenn sich die äußere Temperatur ändert, die Ausgangsspannung im drucklosen Gleichgewichtszustand (im folgenden Nullspannung genannt) sich ändert, während sich gleichzeitig die Druc'.tempfindlichkeit der Meßwiderstände ändert. Wird nun ein druckunempfindlicher Widerstand RS mit dem Meßwiderstand R1 in Reihe geschaltet und dieser Reihenschaltung ein druckunempfindlicher Widerstand RP parallel geschaltet, dann kann bei geeigneter Wahl der Widerstände RS und RP der scheinbare Temperaturkoeffizient des Meßwiderstandes R1 innerhalb des verwendeten Temperaturbereichs dem des Widerstandes R2 angenähert werden. Hierdurch erreicht man die Temperaturkompensation der Nullspannung. Zur Erzielung der Temperaturkompensation der Druckempfindlichke"it ist es nötig, die Speisespannung entsprechend der äußeren Temperatur zu verändern. Ein temperaturempfindliches Widerstandselement RT, etwa ein Thermistor, ist mit der Konstantspannungsquelle in Reihe geschaltet, so daß sich eine von der Temperatur abhängige Speisespannung VB ergibt.

Diese Art Temperaturkompensation besitzt folgenden Nachteil. 1/2

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Da hierbei das Kompensationselement für die Nullspannung und das Kompensationselement für die Druckempfindlichkeit voneinander getrennt vorgesehen sind, können sie unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein, und es ergibt sich, daß sich die einmal kompensierte Nullspannung verändert, wenn sich die Speisespannung abhängig von der Temperatur ändert. Insbesondere, wenn sich die äußere Temperatur schnell ändert, kann die Nullspannung nicht entsprechend der Speisespannung eingestellt werden, so daß sich ein Kompensationsfehler ergibt. Da außerdem dem Meßwiderstand ein druckunempfindlicher Widerstand parallel geschaltet ist, verschlechtert sich die Linearität der Druckempfindlichkeitscharakteristik des Meßwiderstandes mit der Folge einer verringerten Meßgenauigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiter-Druckmeßvorrichtung zu schaffen, die durch gleichzeitige Temperaturkompensation der Nullspannung und der Druckempfindlichkeit eine bessere Meßgenauigkeit gestattet. Mit der Erfindung soll ferner ein Verfahren zur Temperaturkompensation für eine solche Vorrichtung verfügbar gemacht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 bzw. den Ansprüchen 7 bis 8 gelöst.

Es wird mit der Erfindung eine Halbleiter-Druckmeßvorrichtung geschaffen, umfassend ein Halbleitersubstrat eines ersten

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ORIGINAL INSPECTED

Leitfähigkeitstyps, eine im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats ausgebildete erste Halbleiterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die in Verbindung mit dem Halbleitersubstrat eine temperaturempfindliche Diode bildet, eine Stromversorgungseinrichtung zur Erzeugung eines Speiseausgangssignals, das über die Diode geliefert wird, und eine Brückenschaltung, die eine im Oberflächenbereich eines Halbleitersubstrats ausgebildete zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfaßt, welche einen Widerstand mit Piezoeffekt darstellt, und die das Speiseausgangssignal als Speisespannung empfängt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen

Halbleiter-Druckmeßvorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausführungs

form eines Sensoräbschnitts, der einen Hauptteil einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Halbleiter-

Druckmeßvorrichtung einer ersten

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i j

Im folgenden wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckmeßvorrichtung erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Aufbaus eines Sensorbzw. Fühlerabschnitts. Gemäß Fig. 2 ist ein Substrat 12 aus η-leitendem Siliciumeinkristall mittels eines Kleb- oder Verbindungsmittels wie Glas oder einer Au-Si-Legierung mit einer Grundplatte 1O aus Silicium verbunden. Die Grundplatte 10 besitzt ein Druckeinführloch. Die der Grundplatte 10 zugewandte Oberfläche des Substrats 12 ist im mittleren Teil ausgenommen, um eine druckempfindliche Membran zu bilden. In die andere Oberfläche des Substrats 12 ist Bor eindiffundiert, um p-leitende Diffusionszonen 14, 15 und 16 zu bilden. Die DiffusionsAonen 14 und 15 zeigen einen Piezoeffekt und werden als Meßwiderstände R11, R12 verwendet, deren Widerstandswerte sich abhängig vom Druck in positiver und negativer Richtung ändern. Die Diffusionszone 16 wird als pn-übergangs-Diode D eingesetzt, deren Durchlaßspannung sich abhängig von der Temperatur ändert. Aluminiumelektroden sind am Substrat 12 und an den Diffusionszonen 14, 15 und 16 angebracht und mit Anschlußklemmen a bis f verbunden.

Fig. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung, bei der der eben beschriebene Sensorabschnitt eingesetzt ist. Die Anschlußklemmen a bis f von Fig. 2 entsprechen den Anschlußklemmen a bis f von Fig. 3.

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Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine charakteristische Kurvendar

stellung der Druckempfindlichkeit und der Speisespannung,

Fig. 5 charakteristische Kurven zur Er-

und 6

läuterung einer Temperaturkompensation

bezüglich der Druckempfindlichkeit,

Fig. 7 ein Schaltbild einer Halbleiter-

Druckmeßvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung

der Schaltung von Fig. 7,

Fig. 9 charakteristische Kurven zur Erläu-

und 10

terung einer Temperaturkompensation

der Druckempfindlichkeit, und

Fig. 11 eine charakteristische Kurve zur Er

läuterung einer anderen Temperaturkompensation bezüglich der Druckempfindlichkeit .

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Aus den druckempfindlichen Meßwiderständen R11, R12 und druckunempfindlichen Widerständen R13, R14 ist eine Brückenr schaltung aufgebaut. Ein Spannungsteilerwiderstand VR1 ist zwischen die Meßwiderstände R11 und R12 geschaltet, während ein Spannungsteilerwiderstand VR2 zwischen die Widerstände R13 und R14 geschaltet ist. Die mit dem Substrat 12 verbundene Anschlußklemme a ist an Masse gelegt und ar. eine Stromversorgungsansichlußklemme b der Brückenschaltung angeschlossen. Die ein temperaturempfindliches Element darstellende Diode D ist zwischen die Anschlußklemme Λ und die Anschlußklemme f der p-leitenden Diffusionszone 16 geschaltet. Die Diode D ist über eine Konstantstromquelle CI mit einer Bezugsspannungsquelle V+ verbunden und in Durchlaßrichtung vorgespannt. Eine positive Spannung von c\ir Konstantstromquelle CI wird mittels Verstärkern A1 und A2 verstärkt und an die Basis eines Transistors TR angelegt. Der Emitter des Transistors TR ist mit der anderen Stromversorgungsanschlußklemme e der Brückenschaltung verbunden, um ihr das Emitterausgangssignal des Transistors TR als Speisespannung -VB zu liefern. Auf diese Weise ist der pn-übergang zwischen den p-leitenden Diffusionszonen 14 und 15 und dem Substrat 12 in Sperrichtung vorgespannt, so daß die Meßwiderstände R11 und R12 vom Substrat elektrisch getrennt sind. Salbst wonn die pn-übergangs-Diode zwischen der Diffusionszone 16 und dem Substrat als in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode und temperaturempfindliches Element verwendet wird, kann eine gegenseitige Beeinflussung zwischen diesem temperaturempfindlichen Element und den druck-

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empfindlichen Widerständen R11, R12 verhindert werden. Der Kollektor des Transistors TR ist mit einer Bezugsspannungsquelle V- verbunden. Treiberspannungen E1, E2 der Verstärker A1 bzw. A2 werden von den Bezugsspannungsquellen V+, V- geliefert. Ein veränderbarer Widerstand VR3 ist zwischen die Verstärker A1 und A2 geschaltet und dient der Einstellung des Nullausgangssignals der Diode D, d. h. des Ausgangssignals bei einer Bezugstemperatur und ohne Druck. Die Spannungsteilerpunkte der Spannungsteilerwiderstände VR1, VR2 in der Brückenschaltung sind über einen Sensorverstärki.r A3 mit einer Ausgangsanschlußklemme verbunden. Eine zwischen diesen Spannungsteilerpunkten von VR1 und VR2 auftretende Spannung wird über den Sensorverstärker A3 als Meßdruck gemessen.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckmeßvorrichtung wird anschließend erläutert.

Das Prinzip der Druckmessung beruht auf der Tatsache, daß die Widerstandswerte der Meßwiderstände R11 und R12 sich entsprechend dem anliegenden Druck ändern und daß sich das Ausgangssignal der Brücke entsprechend ändert. Eine solche Druckine ß vor richtung wird in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt, und ein Verfahren zur Temperaturkompensation wird nun erläutert.

Zunächst soll eine Temperatarkompensation in bezug auf Hie Druckempfindlichkeit erläutert werden.

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Grundsätzlich zeigt die Diode D eine Spannungsänderung von ungefähr einigen Millivolt bei einer Temperaturänderung von 1K. Die Spannungsänderung gelangt über die Verstärker A1, A2 auf die Basis des Transistors TR, der die Speisespannung VB der Brückenschaltung steuert. Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung der Druckempfindlichkeit im Verhältnis zur Temperatur. Wenn die Brückenschaltung mit konstanter Spannung von VB = 4,25V mit einem bestimmten anliegenden Druck betrieben wird, ergibt sich die ausgezogene Linie von Fig. 4. Dabei ist als Ordinate eine normierte Druckempfindlichkeit, d. h. ein Ausgangssignal im Verhältnis zu einem Ausgangssignal 4^V bei 30 ⁰C und einem bestimmten Druck aufgetragen, während die Temperatur auf der Abszisse aufgetragen ist. Wie die Darstellung von Fig. 4 zeigt, ist die normierte Druckempfindlichkeit 1,31 bei -20 ⁰C und 0,89 bei 80 ⁰C. Es zeigt sich, daß, damit die normierte Druckempfindlichkeit über einen Temperaturbereich von -20 ⁰C bis 80 ⁰C immer 1 ist, die Speisespannung VB 3,25V bei -20 ⁰C und 4,75V bei 80 ⁰C sein muß, wie dies in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Die Speisespannung VB wird durch Einstellung der Verstärkung der Verstärker A1 und A2 und des Widersti.<ndswertes des veränderbaren Widerstandes VR3 gesteuert.Hierdurch kann der Fehler der normierten Druckempfindlichkeit in dem Temperaturbereich von -20 ⁰C bis 80 °C bei - 0,2 % gehalten werden.

Es soll nun die Nullspannunaskonpensation im Hinblick auf die Temperatur erläutert werden.

^7/- 030 039/0592

Es sei angenommen, daß die Nullspannung ^V zwischen dem festen Spannungsteilerpunkt eines Widerstandswertes VR2/2 und dem veränderbaren Spannungsteilerpunkt eines Widerstandswertes X von der Masseseite aus gesehen abgenommen wird. Fig. zeigt die Temperaturabhängigkeit der Nullspannung Δ V im Temperaturbereich von -20 bis 80 ⁰C. Dabei ist angenommen, daß sich die Speisespannung VB mit der Temperatur gemäß Darstellung in Fig. 4 ändert und daß X = VR1 = 50 Sl bzw. X = ist. Es ist ferner angenommen, daß kein Druck anliegt. Wie Fig. 5 zeigt, ergibt die Temperaturabhängigkeit der Nullspan- nung AV bei X = VR1 eine aufwärts gerichtete Kurve und bei X=O eine abwärts gerichtete Kurve. Das bedeutet, daß die Änderung der Nullspannung ^V abhängig von der Temperatur durch geeignete Auswahl des veränderbaren Spannungsteilerpunkts des Brückenausgangs linearisiert werden kann. D. h. in diesem Zustand werden die Koeffizienten zweiten oder höheren Grades des Temperaturgangs der Nullspannung ^V null, so daß die Temperaturänderung der Nullspannung AV ähnlich derjenigen der Brücken-Speisespannung wird.

Eino Methode zum Herausfinden dieses veränderbaren Spannungsteilerpunkts wird nachfolgend erläutert.

Zunächst findet sich ein Verhältnis des mittleren Spannungsgradienten AVBh bei 30 bis 80 ⁰C zu einem mittleren Spannungsgradienten £VB1 bei -20 bis 30 ⁰C der Brücken-Speiso-

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spannung VB:

AVBh _ 4,75 - 4,25 _ AVBl " 4,25 - 3,25

Die Nullspannungen 4 VR, a VO bei -20 ⁰C, 30 ⁰C und bO ⁰C und X = VR1 bzw. X=O können wie folgt bezeichnet werden

(-20) = A1, AV0(-20) = AO O) = B1, A.VO (30) = BO £VR(80) = C1 , AVO(OO) = CO

Damit der Temperaturgang der Nullspannung ^V ähnlich dem der Speisespannung VB wird, muß das Verhältnis zwischen den mittleren Spannungsgradienten der Nullspannung AW gleich dem Verhältnis zwischen den mittleren Spannungsgradienten der Speisespannung VB sein, es muß also folgende Gleichung erfüllt sein:

{<^c1-^C0)vIt * ^co? - f^(B1-^B0)

VRT

₊ B0) -

Setzt man die Werte von Fig. 5 in Gleichung (2) ein, ergibt sich:

X/VR1 = 1/3.

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Für VR1 = 50 ,0. führt dies zu X-17 £L. Der Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilerwiderstandes VR1 wird auf X = VR1/3 einge stellt, und die Speisespannung VB ändert sich gemäß Darstellung in Fig. 4 mit der Temperatur. Nullspannung ^V in diesem Sinn ist die auf den festen Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilerwiderstands VR2 bezogene Spannung. Wenn sich die Speise spannung VB mit der Temperatur ändert, ändert sich auch das Potential des festen Spannungsteilerpunkts. Es ist daher er forderlich, diese Änderung dadurch zu kompensieren, daß das Potential des festen Spannungsteilerpunkts entsprechend der Änderung des Potentials am veränderlichen Spannungsteilerpunkt der Brücke geändert wird. Obwohl bewirkt wird, daß jene Koeffizienten zweiten oder höheren Grades bezüglich der Temperatur null werden, ist es in diesem Fall notwendig, daß jene Koeffizienten ersten Grades bezüglich der Temperatur zu null gemacht werden. Wie Fig. 4 zeiqt, ist die Änderung der Speisespannung VB 1,5V in einem Temperaturbereich von -20 ⁰C bis faO ⁰C, während sich die Nullspannung ^V um 3mV ändert. Daher braucht der feste Spannungsteilerpunkt nur um 3VR2/15OO vom Punkt VR2/2 in Richtung auf den Widerstand R14 verschoben zu werden.

Fig. 6 zeigt die Potentiale beider Ausgangsanschlußklemmen der Brückenschaltung im Verhältnis zum Massepotential. In Fig. 6 zeigt die ausgezogene Linie das Ausgangspotential an der Ausgangsanschlußklernrne auf der Seite des veränderbaren

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Widerstands VRI, d. h. am Punkt VR1/3, während die gestrichelte Linie das Ausgangspotential an der Ausgangsanschlußklemme auf der Seite des veränderbaren Widerstands VR2, also am Punkt VR2/2 + 3VR2/150O zeigt. Bei dieser Einstellung ändern sich beide Potentiale in ähnlicher Weise und behalten eine Differenz von 5v = 2mV, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Die Spannung im Brückengleichgewicht kann unabhängig von der Temperatur zu null gemacht werden, wenn OV durch schaltungstechnische Maßnahmen subtrahiert wird.

Bei dieser Ausfuhrungsform ist das temperaturempfindliche Element für die Temperaturkompensation einstückig auf dem den Drucksensor enthaltenden Substrat ausgebildet. Daher sind das druckempfindliche Widerstandselement und das temperaturempfindliche Element im wesentlichen unabhängig von einer Temperaturänderung, so daß die Temperaturkompensation im Hinblick auf die Druckempfindlichkeit genauer ausgeführt werden kann. Dies gilt selbst bei schneller Änderung der äußeren Temperatur, und zwar unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit. Darüberhinaus gleichen sich das druckempfindliche Element und das temperaturempfindliche Element im Material, in der Herstellungsgeschichte etc., so daß die Temperaturgänge beider leicht aneinander angeglichen werden können, um eine exakte Temperaturkompensation in bezug auf die Druckempfindlichkeit sicherzustellen. Ferner können das druckempfindliche Element uni das temperaturempfindliche Element leicht durch einen Dotierstoff-Diffusionsprozeß ausgebildet werden. Dies ist mög-

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lieh, wenn man das System mit zwei Stromquellen (einer positiven und einer negativen Stromquelle V+, V-) verwendet. Nimmt man z. B. an, daß in Fig. 3 Dioden als temperaturempfindliches Element und die Widerstände R11, R12 als die druckempfindlichen Elemente auf demselben Substre^t ausgebildet werden! Um dann eine erforderliche Vorspannung unter Verwendung einer einzigen Stromquelle an die Dioden anzulegen, bedarf es eines komplizierten Verfahrens, etwa einer Doppeldiffusion, um diese Elemente elektrisch voneinander zu trennen. Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können demgegenüber sowohl der Aufbau als auch das Herstellungsverfahren des Drucksensorabschnitts vereinfacht werden, da das System mit zwei Stromquellen eingesetzt wird. Die Temperaturkompensation der Nullspannung kann außerdem entsprechend der Temperaturkompensation in bezug ^auf die Druckempfindlichkeit des druckempfindlichen Elementes bewirkt werden. Die Bildung des druckempfindlichen Widerstandselements und des temperaturempfindlichen Elements durch p-leitende Diffusionszonen im η-leitenden Halbleitersubstrat kann auch mit umgekehrtem Leitfähigkeitstyp erfolgen. Die Vorspannungsvsrhältnisse müßten dann gegenüber der erläuterten Ausführungsform umgekehrt werden.

Eine Halbleiter-Druckmeßvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist eine Brückenschaltung gebildet, um einen größeren Druckmeßbereich zu erhalten. Fig. 7 zeiat ein schematisches Schaltbild dieser zweiten Ausführungsform

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der Erfindung. Dabei sind zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die solchen von Fig. 3 entsprechen, dieselben Bezugszählen verwendet worden, ohne daß diese Teile weiter erläutert werden. Bei dieser Ausführungsform bilden vier druckempfindliche Elemente die Elemente der vier Zweige einer Brückenschaltung. Beispielsweise sind die Widerstände R21 und R24 Meßwiderstände, deren Werte sich bei Druck erhöhen, während die Widerstände R22 und R23 Meßwiderstände sind, deren Werte sich verringern. Die Spannungsteilerpunkte der Spannungsteilerwiderstände VR1 und VR2 für die Temperaturkompensation der Nullspannung sind zwischen die entsprechenden Meßwiderstände geschaltet und jeweils über veränderbare Widerstände VR4 und VR5 an einen Meßverstärker A3 angeschlossen. Die Meßwiderstände R21, R22, R23 und R24 und die Diode D dieser Ausführungsform sind im selben Halbleitersubstrat ausgebildet. Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Transistor TR von der Diode D entsprechend der äußeren Temperatur gesteuert, so daß die Speisespannung der Brückenschaltung so eingestellt wird, daß die Temperaturabhängigkeit der Druckempfindlichkeit kompensiert wird.

Im folgenden wird ein Verfahren zur Durchführung einer Temperaturkompensation der Nullspannung dieser Brückenschaltung erläutert.

Die Brückenschaltung wird in e.ner gemäß Fig. 8 in zwei Brückenschaltungen aufgeteilten Form erläutert. Die erste

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Brückenschaltung 10 schließt die Meßwiderstände R21, R22 und einen temperaturunempfindlichen Widerstand R ein. Zwischen die Meßwiderstände R21 und R22 ist der Spannungsteilerwiderstand VR1 geschaltet. Eine Nullspannung AV1 wird zwischen einem veränderbaren Spannungsteilerpunkt X1 des Spannungsteilerwiderstandes VR1 und einem festen Spannungsteilerpunkt R/2 des Widerstands R abgenommen. Die zweite Brücke 20 ist in gleicher Weise aufgebaut. Eine sich mit der Temperatur ändernde Speisespannung ist an die Brücken 10 und 20 angelegt.

Fig. 9 zeigt den Temperaturgang (-20 - 80 ⁰C) der Nullspannung. In Fig. 9 entspricht die ausgezogene Linie der Nullspannung /t V1 und die gestrichelte Linie der Nullspannung AV2. Es sei angenommen, daß sich die Speisespannung VB in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform ändert, und daß der veränderbare Spannungsteilerpunkt X1 = VR1 = 0 bzw. X2 = VR2 = ist. Ferner wird angenommen, daß VR1 = 50 H und VR2 = 10OiL sind. Damit der Temperaturgang der Nullspannungen Δνΐ und £ V2 der Brückenschaltungen 10 und 20 dem der Speisespannung ähnlich wird, müssen die jeweiligen Brückenschaltungen 10 und 20 die oben angegebene Gleichung (2) erfüllen. Setzt man die Werte von Fig. 9 in Gleichung (2) ein, erhält man X1/VR1 = 1/3 und X2/VR2 = 3/4. Da VR1 = 50 JJ. und VR2 = 100 £., ergeben sich X1 = 17 ,D_- und X2 = 75 .Q_-. Der feste Spannungsteilerpunkt R/2 des Widerstands der jeweiligen Brückenschaltungen 10, 20 stellt einen gemeinsamen Potentialpunkt dar. Kenn der Brückenteil mit den Meßwiderständen R21 und R22 und der Brückenteil

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mit den Meßwiderständen R23 und R24 mit der Ausnahme des Widerstands R kombiniert werden, erhält man die in Fig. 7 gezeigte Brückenschaltung. Da jedoch jene Terme ersten Grads, bzw. die linear temperaturabhängigen Glieder in der Gleichung für die Spannung zwischen dem veränderbaren Spannungsteilerpunkt auf der Seite des Widerstands VR1 und dem veränderbaren Spannungsteilerpunkt auf der Seite des V/iderstands VR2 geblieben sind, muß die durch sie hervorgerufene Temperaturabhängigkeit der Spannung durch neue Mittel kompensiert werden. Dies kann dadurch geschehen, daß ein veränderbarer Widerstand VR4 zwischen den veränderbaren Spannungsteilerpunkt X1 des veränderbaren Widerstands VR1 im einen Brückenteil und Masse geschaltet wird, während ein veränderbarer Widerstand VR5 zwischen den veränderbaren Spannungsteilerpunkt X2 des veränderbaren Widerstands VR2 im anderen Brückenteil und Masse geschaltet wird und X4, X5 als Ausgangsanschlußklemmen gewählt werden. Tabelle 1 zeigt die Veränderung des Potentials am veränderbaren Spannungsteilerpunkt XI und X2 abhängig von der Temperatur, bezogen auf den festen Spannungsteilerpunkt R/2 und auf Massepotential.

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Tabelle 1

	Temperatur	auf	R/2	-20 ⁰C	,67	! 30 ⁰C	,67	-7	80	⁰C	i
Potential am Punkt X1 (mV)	bezogen	auf		-4	,33	I i -6	,33	2367	,67	I i
Potential am Punkt X2	bezogen Masse	auf	R/2	1620	,75	■ 2118	,25	8	,33
(mV)	bezogen	auf		2	,75	I 6	,25	2383	,00
bezogen Masse	1627	2131		,00

Fig.. 10 zeigt die Änderung der Potentiale an den veränderbaren Spannungsteilerpunkten X1, X2 über der Temperatur bezogen auf Massepotential. In Fig. 10 entspricht die ausgezogene Linie dem Potential am veränderbaren Spannungsteilerpunkt X1, während die gestrichelte Linie das Potential am veränderbaren Spannungsteilerpunkt X2 wiedergibt. Die Potentialänderung im Temperaturbereich von -20 ⁰C bis 80 ⁰C beträgt 747mV am Spannungsteilerpunkt X1 und 755,25mV am Spannungsteilerpunkt X2. Wenn der veränderbare Mittelpunkt des veränderbaren Widerstands VR5 in bezug auf den Ausgangswert von VR2 geeignet gewählt wird, ist es möglich, einen veränderbaren Mittelpunkt X5 zu finden, bei dem sich die gleiche Potentialänderung wie für den veränderbaren Spannungsteilerpunkt X1 ergibt. Wenn der ver-

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änderbare Mittelpunkt X5 eingestellt ist, ergibt sich als Punkt für den Widerstandswert von der Masseseite her gesehen X5/VR5 = 747/755,25 = 0,9891.

Das Potential am Punkt X5 bezogen auf Massepotential ist wie folgt:

Temperatur -20 ⁰C 30 ⁰C 80 ⁰C Spannung

(mV) 1610,01 2108,02 2357,03

Die Punkt-Strich-Linie in Fig. 10 zeigt die Änderung des Potentials am veränderbaren Mittelpunkt X5 über der Temperatur. Die Veränderungen der Potentiale an den Punkten X1 und X5 über der Temperatur werden einander gleich, und eine zwischen diesen Punkten X1 und X5 auftretende Potentialdifferenz erhält einen bestimmten Wert von OV = 10,3mV. Dabei wird der Wert des veränderbaren Widerstands VR4, d«r in Fig. 7 gezeigt ist, null (es sei angemerkt, daß eine Ausgangsanschlußklemme ausgehend von Masse auf einem Punkt mit dem Widerstandswert VR4 liegt). Wenn die veränderbaren Mittelpunkte X1 und X5 als Ausgangsanschlußklemmen betrachtet werden, besitzt die Nullspannung ein geringes 6v, wobei die temperaturabhängigen Spannungsänderungen kompensiert werden können. Falls im Temperaturbereich von -20 ⁰C bis 80 ⁰C die Änderung des Potentials am veränderbaren Spannungsteilerpunkt X1 größer als die am veränderbaren Spannungsteilerpunkt X2 ist, wird ein veränder-

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barer Mittelpunkt X4 des veränderbaren Widerstands VR4 ausgewählt/ während der Wert des veränderbaren Widerstands VR5 null ist. Wenn in diesem Fall die Punkte X2, X4 als Ausgangsanschlußklemmen angesehen werden, dann kann die Nullspannung temperatur-kompensiert werden.

Es soll nun noch ein anderes Verfahren zur Temperaturkompensation der Nullspannung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckmeßvorrichtung erläutert werden.

Der einfachen Erläuterung halber sei angenommen, daß die Vorrichtung gemäß Fig. 3 aufgebaut ist und daß sich die Speisespannung VB für die Kompensation der Druckempfindlichkeit linear ändert, so daß sie 4V bei -?0 ⁰C, 5V bei 30 ⁰C und 6V bei 80 ⁰C beträgt. Ferner sei angenommen, daß der Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilerwiderstandes VR1 gegenüber Masse auf einem Punkt des Widerstandswertes X liegt und das Potential VX hat, während der Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilerwiderstands VR2 gegenüber Masse auf einem Punkt des Widerstandswerts ϊ liegt und das Potential VY hat. In diesem Fall wird das Brückenausgangssignal, d. h. die Nullspannung Δ V, die zwischen den beiden Spannungsteilerpunkten im drucklosen Zustand auftritt, &V = VX - VY. Die Potentiale VX, VY sind in Tabelle 2 gezeigt.

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Tabelle 2

Temp	⁰C	4	χ	R1	1	VX (V)	j	4	X	W (V)
-20	⁰C	5	χ			R11(-20)+X	^; 5	X	R13+Y
30	⁰C	6	χ	R1	1	(-2O)+R12(-2O)+VR1	: 6	X	R13+R14+VR2
80						R11(30)+X		R13+Y
		R1	1	(3O)+R12(3O)+VR1	R13+R14+VR2
	R11(8O)+X	R13+Y
	(8O)+R12(8O)+VR1	R13+R14+VR2 \

In Tabelle 2 stehen RH(T), R12(T) für die Widerstandswerte der Meßwiderstände R11, R12 bei einer Temperatur von T ⁰C. Man sucht zunächst einen Ausgangsanschluß von VR1, bei dem die Neigung einer Änderung der Nullspannung bei -20 ⁰C bis 30 ⁰C gleich der Neigung einer Änderung der Nullspannunc? bei 30 ⁰C bis 80 ⁰C ist, bei dem sich also die Nullspannung linear verändert. D. h. es ist nur nötig, einen Wert des Widerstands zu finden, der folgende Gleichung erfüllt:

VX(30 ⁰C) - VX (-20 ⁰C) = VX(80 ⁰C) - VX(30 ⁰C)

wobei VR1 = 71 Ώ,, R13 = R14 = 4000 Sh und VR2 = O sind.

Fig. 11 zeigt in grafischer Form den Temperaturgang der NuIl-

st, wi

"v»iiiirit _r

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angenommen, daß sich die Speisespannung linear ändert. Aus Fig. 11 ist zu entnehmen, daß Gleichung (3) für X = 45 £, erfüllt ist. Der Temperaturgang der Nullspannung zeigt eine nach unten konkave parabolische Kurve bei X <45 Jl, und eine nach oben konkave parabolische Kurve bei X > 45 ü. Wenn auf diese Weise Gleichung (3) erfüllt ist, ist der Temperaturgang der Nullspannung der Brückenschaltung linear. Läßt man das Potential VY am Ausgangsanschluß auf Seiten des festen Widerstands der Änderung von VX folgen, dann erhält man einen linearisierten Temperaturgang der Nullsp-.nnung ohne Neigung, d. h. die Nullspannung kann zu einem bestimmten gleichbleibenden Wert gemacht werden. Das bedeutet, daß ;»an nur einen Wert für den Widerstand Y finden muß, der folgende Gleichung erfüllt:

VX(80 ⁰C) - VX(-2O ⁰C) = VY(80 ⁰C) - VY(-20 ⁰C) (4)

Es sei angenommen, daß Gleichung (3) bei VX(-20 ⁰C) = 2000mV und VX(80 ⁰C) = 3018 mV erfüllt ist, wenn bei VR1 = 71 Λ X = 45 JQ. ist. Wenn in diesem Fall VR2 = R13 = R14 4000 Jl, gilt

VX(80 ⁰C) - VX(-20 ⁰C)

= 1,018 V

= VY(80 ⁰C) - VY(-20 ⁰C)

R13+R14+VR2 R13+R14+VR2

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294518S

Daraus erhält man Y = 2108 n. Die Nullspannu-ig Δν = VX - VY wird dann:

VX(80 ⁰C) - VY(80 ⁰C) = VX(-20 ⁰C) - VY(-20 ⁰C)
= -36mV.

Wenn also eine bestimmte Spannung von 36mV zur Nullspannung hinzuaddiert wird, dann ist die (resultierende) Nullspannung der Brückenschaltung unabhängig von der Temperaturänderung immer null.

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Claims

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PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN f»¹

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Patentansprüche

Halbleiter-Druckmeßvorrichtung umfassend ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstvps und eine Brückenschaltung mit widerstandsbehafteten Halbleiterzonen eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats ausgebildet sind und einen Piezoeffekt zeigen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats (12) eine Halbleiterzone (16) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist und zusammen mit dem Halbleitersubstrat eine temperaturempfindliche Diode (D) bildet, und daß an die Diode eine Stromversorgungseinrichtung (V+, V-, CI, A1, A2, E1, E2, VR3,

München: R. Kremer Dipl.-Ir.g. · W. Weser Oipl.-Fhys. Dr. rer. nat. · H. P Erehm Dipi.-Chpn· Or. phil. nat. Wiesbaden: P. G. B!;j.T.t>3c2i Dipl.-l-g. · P. Ccrgb.i Cipl.-Ir.g .2-,. _Jur. · C. Z..;..-.c.-Dip -; ._a D;_K;.-',V.;,,_y.

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TR) zur Lieferung einer Spannung als Speisespannung an die Brückenschaltung (R11 bis R14, R21 bis R24), welche einer temperaturänderungsbedingten Änderung der Durchlaßspannung der Diode entspricht » angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (12) aus einem η-leitenden Halbleiter gebildet ist und an einer Grundplatte (10), die ein Druckeinführloch besitzt, angebracht ist, und daß die Halbleiterzone des zweiten Leitfähigkeitstyps aus p-leitendem Halbleiter besteht.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung eine erste Bezugsspannunqsquolle (V+, CI) zur Lieferung einer Bezugsspannung an die Diode (D) , einen mit der Diodo; verbundenen Verstärker (A1) und eine zweite Bezugsspannungsquelle (V-) zur Steuerung der Ausgangsspannung eines Transistors (TR), welcher seinerseits vom Ausgangssignal des Verstärkers gesteuert wird, aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung einen

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ersten Brückenteil und nen zweiten Brückenteil aufweist, von denen der erste Brückenteil zwei widerstandsbehaftete Halbleiterzonen (14, R11; 15, R12) mit jeweiligem Piezoeffekt entgegengesetzt gerichteter Polarität sowie einen ersten Spannungsteilerwiderstand (VR1), der zwischen die beiden widerstandsbehafteten Halbleiterzonen geschaltet ist und keinen Piezoeffekt aufweist, umfaßt, während der zweite Brückenteil einen zweiten Spannungsteilerwiderstand (VR2) ohne Piezoeffekt einschließt, wobei die Ausgangsspannung zwischen Spannungsteilerpunkten des ersten und des zweiten Spannungsteilerwiderstandes abgreifbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung einen ersten und einen zweiten Brückenzweig umfaßt, daß der erste Brückenzweig zwei widerstandsbehaftete Halbleiterzonen (R21, R22) mit jeweiligem Piezoeffekt einander entgegengesetzt gerichteter Polarität sowie einen ersten i?pannungsteilerwiderstand (VR1) , der zwischen die beiden widerstandsbehafteten Halbleiterzonen geschaltet ist und keinen Piezoeffekt besitzt, einschließt, daß der zweite Brückenteil zwei widerstandsbehaftete Halbleiterzonen (R23, R24) mit jeweiligem Piezoeffekt einander entgegengesetzt gerichteter Polarität sowie einen zweiten Spannungs-

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teilerwiderstand (VR2), der zwischen die beiden widerstandsbehafteten Halbleiterzonen geschaltet ist und keinen Piezoeffekt besitzt, einschließt, daß der erste und der zweite Brückenteil in einer solchen Weise kombiniert sind, daß jeweils benachbarte Elemente einen Piezoeffekt entgegengesetzter Polarität besitzen, daß ein erster und ein zweiter veränderbarer Widerstand (VR4, VR5) an Spannungsteilerpunkte des ersten bzw. des zweiten Spannungsteilerwiderstandes (VR1, VR2) angeschlossen sind, und daß eine Ausgangsspannung zwischen dem ersten veränderbaren Widerstand und dem zweiten veränderbaren Widerstand abgreifbar ist.
6. Verfahren zur Temperaturkompensation bei einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche eine Brückenschaltung aufweist, die aus einem ersten Brückenteil und eine^r· zweiten Brückenteil besteht, von denen der erste Brückenteil zwei Widerstände jeweils mit Piezoeffekt einander entgegengesetzter Polarität sowie einen ersten Spannungsteilerwiderstand, der zwischen die beiden Widerstände geschaltet ist und keinen Piezoeffekt aufweist, umfaßt, während der zweite Brückenteil einen zweiten Spannunasteilerwiderstand ohne Piezoeffekt aufweist, und bei der eine Ausgangsspannung zwischen einem Spannungsteilerpunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes

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und einem Spannungsteilerpunkt des zweiten Spannungsteilerwiderstandes feststellbar ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einstellen des zweiten Spannungsteilerwiderstandes zur Erzielung eines Spannungsteilerverhältnisses von 1/2 und Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses des ersten Spannungsteilerwiderstandes in einer wolchen Weise, daß der Temperaturgang einer Ausgangssp.innung zwischen den beiden Spannungsteilerpunkten im drucklosen Zustand dem Temperaturgang einer Ausgangsspannung einer Stromversorgungseinrichtung ähnlich wird, und Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses des zweiten Spannungsteilerwiderstandes in einer solchen Weise, daß der Temperaturgang des Potentials am Spannungsteilerpunkt des zweiten Spannungsteilerwiderstandes gleich dem Temperaturgang des Potentials am Spannungsteilerpunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes wird.
7. Verfahren nach dem Oberbegriff das Anspruchs 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses des ersten Spannungsteilerwiderstandes in einer solchen Weise, daß der Temperaturgang des Potentials am Spannungsteilerpunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes im drucklosen Zustand linearisiert ist, und

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Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses des zweiten Spannungsteilerwiderstandes in einer solchen Weise, daß der Temperaturgang des Potentials am Spannungsteilerpunkt des zweiten Spannungsteilerwiderstandes im drucklosen Zustand gleich dem Temperaturgang des Potentials am Spannungsteilerpunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes wird.
8. Verfahren zur Temperaturkompensation 'oei einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung, insbesondere nach Anspruch 5, welche eine Brückenschaltung aufweist, die aus einem ersten und einem zweiten Brückenteil besteht, bei der der erste Brückenteil zwei Widerstände mit jeweiligem Piezoeffekt einander entgegengesetzter Polarität und einen ersten Spannungsteilerwiderstand, der zwischen die beiden Widerstände geschaltet ist und keinen Piezoeffekt besitzt, aufweist, bei der der zweite Brückenteil zwei Widerstände mit jeweiligem Piezoeffekt einander entgegengesetzter Polarität und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand, der zwischen die beiden Widerstände geschaltet ist, und keinen Piezoeffekt besitzt, aufweist, bei der der erste und der zweite Brückenteil so miteinander kombiniert sind, daß benachbarte Widerstände einander entgegengesetzte Piezoeffekte besitzen, bei der ein erster und ein zweiter veränderbarer Widerstand mit den Spannungsteilerpunkten von erstem und zweitem Spannungsteilerwiderstand verbunden sind, und

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bei der eine Ausgangs annung zwischen dem ersten und dem zweiten veränderbaren Widerstand feststellbar ist, gekennzeichnet durch die Schritte:

Einstellen des Spannungsteilerverhältnisses von erstem und zweitem Spannungsteilerwiderstand in einer solchen Weise, daß der Temperaturgang einer Ausgangsspannung zwischen den beiden Spannungsteilerpunkten von erstem und zweitem Spannungsteilerwiderstand im drucklosen Zustand dem Temperaturgang einer Ausgangsspannung einer Stromversorgungseinrichtung ähnlich wird, Auswählen und Nullmachen des mit demjenigen der beiden Spannungsteilerwiderstände verbundenen voränderbaren Widerstandes, an dessen Spannungsteilerpunkt sich das Potential weniger als am Spannungsteilerpunkt des anderen Spannungsteilerwiderstandes ändert, und

Einstellen des Wertes des anderen veränderbaren Widerstandes in einer solchen Weise, daß der temperaturänderungsbedingte Änderungsbetrag des Potentials am Ausgangsanschluß dieses anderen veränderbaren Widerstandes gleich dem temperaturänderungsbedingten A'nderungsbetrag des Potentials am Ausgangsanschluß des ersteren der beiden veränderbaren Widerstände wird.

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