DE2945185C2

DE2945185C2 - Halbleiter-Druckmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE2945185C2
Application number: DE2945185A
Authority: DE
Inventors: Ryuzo Kawasaki Noda; Shunji Ayase Kanagawa Shirouzu
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1979-11-08
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2945185A1; US4300395A

Description

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

Es sind Haiblelter-Druckmeßvorrlchtungen in Gebrauch, bei denen in einer Brückenschaltung als druckempfindllche Meßwiderstände Halbleiterdiffusionswiderstände verwendet werden. Da bei einer solchen Vorrichtung die charakteristische Änderung des Meßwiderstandes 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 Ri, R2 sind In einer Oberflächenzone eines Substrats aus Halbleitereinkristall ausgebildet und zeigen Widerstandsänderungen In entgegengesetzten Richtungen entsprechend dem angelegten Druck. Aus diesen Widerständen Ri, Rl und druckempfindlichen Widerständen Λ3, RA ist eine Brückenschaltung gebildet. Mit der Brückenschaltung ist eine Konstantstrom- 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 AV abhängig vom anliegenden Druck an der Brücke abgegrlffen 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 Druckempfindlichkeit der Meßwiderstände ändert. Wird nun ein druckunempfindlicher Widerstand RS mit dem Meßwiderstand Ri 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 Ri innerhalb des verwendeten Temperaturbereichs dem des Widerstandes R2 angenähert werden. Hierdurch erreicht man die Temperaturkompensation der Nulispannung. Zur Erzielung der Temperaturkompensation der Druckempfindlichkeit ist es nötig, die Speisespannung entsprechend der äußeren Temperatur zu verändern. Ein temperaturempftndliches Widerstandselement RT, etwa ein Thermistor, 1st mit der Konstantspannungsquelle In Reihe geschaltet, so daß sich eine von der Temperatur abhängige Speisespannung VB ergibt.

Diese Art Temperaturkompensation besitzt folgenden Nachteil.

Da hierbei das Kompensationselement für die Nullspannung und das Kompensationselement für die Druckempfindllchkelt 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 Druckempfindllchkeltscharakteristlk des Meßwiderstandes mit der Folge einer verringerten Meßgenauigkeit.

Aus »Electronics«, 4. Dezember 1972, Selten 83 bis 88 ist eine Druckmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, die eine Brückenschaltung mit vier druckabhängigen Widerständen aufweist. Die Speisespannungsanschlüsse der Brücke sind mit einer Vielzahl von In Reihe geschalteten, der Temperaturkompensation dienenden Dioden In Reihe geschaltet. Parallel zu dieser Reihenschaltung liegt eine Z-Dlode zur Spannungsstabilisierung. Außer den Temperaturkompensationsdioden Ist ein Transistor vorgesehen, dessen Basis-Emitter-Dlode als Temperaturfühler dient und mit äußeren Anschlüssen verbunden 1st. Der Transistor, die Brückenschaltung und die Dioden sind gemeinsam auf einem Halbleiterchip ausgebildet

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale In den Patentansprüchen 1 und 5 bzw. den Ansprüchen 3, 4 und 6 gelöst.

Wie später anhand der Figuren Im einzelnen erläutert weicien wird, erlauben die erflndungsgemäß vorgesehenen Spannungstellerwiderstände in der Brückenschaltung eine sehr genaue Temperaturkompensation der Nullspannung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung Im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fie. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen Halbleiter-Druckmeßvorrichtung,

Flg. 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Sensorabschnitts, der einen Hauptteil einer Halblelter-Druckmeßvorrlchtung gemäß der Erfindung darstellt,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Halbleiter-Druckmeßvorrlchtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Flg. 4 eine charakteristische Kurvendarstellung der Druckempftndllchkelt und der Speisespannung,
Flg. 5 und 6 charakteristische Kurven zur Erläuterung einer Temperaturkompensation bezüglich der Druckempflndlichkelt,

Flg. 7 ein Schaltbild einer Halblelter-Druckmeßvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Schaltung von Fig. 7,

Ό Flg. 9 und 10 charakteristische Kurven zur Erläuterung einer Temperaturkompensation der Druckempfindlichkeit, und

Flg. 11 eine charakteristische Kurve zur Erläuterung einer anderen Temperaturkompensation bezüglich der Druckempflndltchkeit.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halblelter-Druckmeßvorrichtung erläutert. Flg. 2 zeigt einen Querschnitt des Aufbaus eines Drucksensors der Druckmeßvorrichtung. Gemäß Flg. 2 1st ein Substrat 12 aus η-leitendem Siliciumeinkristall mittels eines Kleb- oder Verbindungsmittel wie Glas oder einer Au-Sl-Legierung mit einer Grundplatte 50 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 elndlffundiert, um p-leltende Diffusionszonen 14, 15 und 16 zu bilden. Die Diffusionszonen 14 und 15 zeigen einen Piezoeffekt und werden als Meßwiderstände Λ11, RIl verwendet, deren Widerstandswerte sich abhängig vom Druck In positiver und negativer Richtung ändern. Die Diffusionszone 16 bildet mit dem Substrat einen pn-Übergang, der als Diode D eingesetzt wird, deren Durchiaßspannung sich abhängig von der Temperatur ändert. Aluminiumelektroden sind am Substrat 12 und an den Diffusionszonen 14, 15 und 16 angebracht und mit Anschlußklemmen α bis/verbunden.

Fig. 3 Ist ein schematisches Schaltbild einer Halblelter-Druckmeßvorrichtung, bei der der eben beschriebene Drucksensor eingesetzt ist. Die Anschlußklemmen α bis/von Fig. 2 entsprechen den Anschlußklemmen α bis/ von Fig. 3.

Aus den druckempfindlichen Meßwiderständen Λ11, Λ12 und druckunempfindlichen Widerständen Λ13, R14 ist eine Brückenschaltung aufgebaut. Ein Spannungstellerwiderstand VRl ist zwischen die Meßwiderstände Λ11 und Ä12 geschaltet, während ein Spannungstellerwiderstand VRl zwischen die Widerstände Λ13 und Λ14 geschaltet ist. Die mit dem Substrat 12 verbundene Anschlußklemme a 1st an Masse gelegt und an eine Stromversorgungsanschlußklemme b der Brückenschaltung angeschlossen. Die Diode D liegt zwischen der Anschlußklemme α und der Anschlußklemme/der p-leltenden Diffusionszone 16. Die Diode D 1st über eine Konstantstromquelle Cl mit einer Bezugsspannungsquelle V+ verbunden und in Durchlaßrichtung vorgespannt. Eine positive Spannung von der Konstantstromquelle C/ wird mittels Verstärkern Al und /12 verstärkt und an die

* Basis eines Transistors TR angelegt. Der Emitter des Transistors TR 1st mit der anderen Stromversorgungsanschlußklemme e der Brückenschaltung verbunden, um Ihr das Emitterausgangssignal des Transistors TR als Speisespannung -VB zu liefern. Auf diese Welse ist der pn-übergang zwischen den p-leitenden Diffusionszonen 40 14 und 15 und dem Substrat 12 In Sperrlchtung vorgespannt, so daß die Meßwiderstände RIl und Λ12 vom

Substrat elektrisch getrennt sind. Obwohl der pn-übergang zwischen der Diffusionszone 16 und dem Substrat 12 als in Durchlaßrichtung vorgespannte Diode und temperaturempfindliches Element verwendet wird, kann deshalb eine gegenseitige Beeinflussung zwischen diesem temperaturempfindlichen Element und den druckempfindlichen Widerständen RIl. R12 verhindert werden. Der Kollektor des Transistors TR ist mit einer Bezugs-Spannungsquelle V- verbunden. Treiberspannungen El, El der Verstärker Al bzw. Al werden von den Bezugsspannungsquellen V+, V- geliefert. Ein veränderbarer Widerstand VRl ist zwischen die Verstärker Al und Al geschaltet und dient der Einstellung einer bestimmten Brückenspeisespannung bei einer Bezugstemperatur und ohne Druck. Die Spannungsteilerpunkte der Spannungstellerwiderstände VRl, VRl in der Brückenschaltung sind über einen Sensorverstärker A3 mit einer Ausgangsanschlußklemme verbunden. Eine zwischen diesen Spannungsteilerpunkten von VRl und VRl auftretende Spannung wird über den Sensorverstärker A3 als Meßdruck gemessen.

Die Arbeltswelse der erfindungsgemäßen Halblelter-Druckmeßvorrichtung wird anschließend erläutert.
Das Prinzip der Druckmessung beruht auf der Talsache, daß die Wlderstandswerte der Meßwiderstände RIl und R12 sich entsprechend dem anliegenden Druck ändern und daß sich das Ausgangssignal der Brücke entsprechend ändert. Eine solche Druckmeßvorrlchtung wird in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt, und ein Verfahren zur Temperaturkompensation wird nun erläutert.

Zunächst soll eine Temperaturkompensation in bezug auf die Dmckempflndlichkeit erläutert werden.
Grundsätzlich zeigt die Diode D eine Spannungsänderung von einigen Millivolt bei einer Temperaturänderung von IK. Diese Spannungsänderung gelangt über die Verstärker Al, Al auf die Basis des Transistors TR, der die 6» Speisespannung VB der Brückenschaltung steuert. Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung der Dmckempflndlichkeit abhängig von der Temperatur. Wenn die Brückenschaltung mit konstanter Spannung von VB - 4,25 V betrieben und einem konstanten Druck ausgesetzt 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 Λ V bei 30° C und einem bestimmten Druck aufgetragen, während die Temperatur auf der Abszlzze aufgetragen 1st. Wie die Darstellung von Fig. 4 zeigt, ist die normierte Druckempfindlichkeit 1,31 bei -20⁰C und 0,89 bei 80° C. Es zeigt sich, daß, damit die normierte Druckempfindlichkeit über einen Temperaturbereich von -20° C bis 80° C immer 1 ist, die Speisespannung VB 3,25 V bei -20° C und 4,75 V bei 80° C sein muß, wie dies In FI g. 4 durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. Der Temperaturgang der Speisespannung VB wird durch

Einstellung der Verstärkung der Verstärker Al und Al und des Widerstandswertes des veränderbaren Widerstandes ΙΎί3 gesteuert. Hierdurch kann der Fehler der normierten Druckempfindlichkeit In dem Temperaturbereich von -20° C bis 80° C bei ± 0,2% gehalten werden.

Es soll nun die Temperaturkompensation der Nullspannung erläutert werden.

Es sei angenommen, daß der Spannungstellerpunkt des Spannungstellerwiderstands VRl fest auf die Mitte (2 χ VR1/2) eingestellt sei und daß zwischen dem veränderbaren Spanriungsteilerpunkt und dem masseseitlgen Ende des Spannungstellerwiderstands VRl ein Widerstandswert X vorhanden sei. FIg. 5 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Nullspannung AV Im Temperaturbereich von -20 bis 80° C. Dabei 1st angenommen, daß sich die Speisespannung VB mit der Temperatur gemäß Darstellung In Flg. 4 ändert und daß X = VRl = 50Ω bzw. X=Q Ist. Es ist ferner angenommen, daß kein Druck anliegt. Wie Fig. 5 zeigt, ergibt die Temperaturabhängigkelt der Nullspannung AV bei X=VRl eine aufwärts gerichtete Kurve und bei A^- = O eine abwärts gerichtete Kurve. Das bedeutet, daß die Änderung der Nullspannung AV abhängig von der Temperatur durch geeignete Auswahl des veränderbaren Spannungsteilerpunkts des Brückengangs llnearlslert werden kann. Das heißt in diesem Zustand werden die Koeffizienten zweiten oder höheren Grades des Temperaturgangs der Nullspannung AV null, so daß die Temperaturänderung der Nullspannung AV ähnlich derjenigen der Brücken-Speisespannung wird.

Eine Methode zum Herausfinden dieses gesuchten Spannungstellerpunkts wird nachfolgend erläutert.

Zunächst findet sich ein Verhältnis des mittleren Spannungsgradienten AVBh bei 30 bis 80° C zu einem mittleren Spannungsgradienten AVBl bei -20 bis 3O⁰C der Brücken-Speisespannung VB:

^VBh _ 4,75 - 4,25 _

4VBl ~ 4,25 - 3,25 ⁼ °'^{5 (1)}

Die Nullspannungen AVR (AVR = AV für X = VRl), AVO (AVO = AV für * = 0) bei -20° C, 30° C und 80° C können wie folgt bezeichnet werden:

A VR (-20) = AI, A VO (-20) = /10
AVR (30) = B 1, AVO (30) = BQ AVR (80) = Cl, AVO (8O) = CO

Damit der Temperaturgang der Nullspannung AV ähnlich dem der Speisespannung VB wird, muß das Verhältnis zwischen den mittleren Spannungsgradienten der NuHspannung AV gleich dem Verhältnis zwischen [

den mittleren Spannungsgradienten der Speisespannung VB sein, es muß also folgende Gleichung erfüllt sein:

X X

{ (Cl - CO) — + CO} - { (Bl - BO) — + BO } IiSi 1£ή = o,5 (2)

X X

{ (Bl - BO) — + BO } - { (Al - AO) — + AO }

Setzt man die Werte von Fig. 5 In Gleichung (2) ein, ergibt sich:
XIVRl = 1/3.

Für VRl = 50Ω führt dies zu X - 17Ω. Der Spannungstellerpunkt des Spannungsteilerwiderstandes VRl wird auf X=VR 1/3 eingestellt, und die Speisespannung VB ändert sich gemäß Darstellung in Flg. 4 mit der Temperatur. NuHspannung A V In diesem Sinn 1st die auf den festen Spannungsteilerpunkt des Spannungstellerwiderstands VRl bezogene Spannung. Wenn sich die Speisespannung VB mit der Temperatur ändert, ändert sich auch das Potential des festen Spannungsteilerpunkts. Es 1st daher erforderlich, diese Änderung dadurch zu kompensieren, daß das Potential des festen Spannungstellerpunkts 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 Flg. 4 zeigt, ist die Änderung der Speisespannung VB 1,5 V in einem Temperaturbereich von -20° C bis 80° C, während sich die NuHspannung AV um 3 mV ändert. Daher braucht der feste Spannungstellerpunkt nur um 3ΚΛ2/1500 vom Punkt VR1/2 In Richtung auf den Widerstand i?14 verschoben zu werden. ,

F i g. 6 zeigt die Potentiale beider Ausgangsanschlußklemmen der Brückenschaltung im Verhältnis zum Sj

Massepotential. In Fig. 6 zeigt die ausgezogene Linie das Ausgangspotential an der Ausgangsanschlußklemme auf der Seite des veränderbaren Widerstands VRl, d. h. am Punkt VR1/3, während die gestrichelte Linie das Ausgangspotential an der Ausgangsanschlußklemme auf der Seite des veränderbaren Widerstands VRl, also am Punkt VR1/2 +3ΚΛ2/1500 zeigt. Bei dieser Einstellung ändern sich beide Potentiale in ähnlicher Weise und behalten eine Differenz von SV = 2 mV, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Die Spannung Im Brückengleichgewicht kann unabhängig von der Temperatur zu null gemacht werden, wenn δ V durch schaltungstechnische Maßnahmen subtrahiert wird.

Bei dieser Ausführungsform 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 Druckempflndllchkelt genauer ausgeführt

werden kann. Dies gilt selbst bei schneller Änderung der äußeren Temperatur, und zwar unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit. Darüber hinaus gleichen sich das druckempfindliche Element und das temperaturempflndllche 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

•^s Druckempflndllchkeit sicherzustellen. Ferner können das druckempfindliche Element und das temperaturempfindliche Element leicht durch einen Dotierstoff-Diffusionsprozeß ausgebildet werden. Dies Ist möglich, wenn man das System mit zwei Stromquellen (einer positiven und einer negativen Stromquelle V+, V-) verwendet. Es sei z. B. angenommen, daß In Flg. 3 Dioden als temperaturempfindliches Element und die Widerstände Λ11, Λ12 als druckempfindliche Elemente auf demselben Substrat ausgebildet werden. Um dann eine erforclerliehe 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 sovohl der Aufbau als auch das Herstellungsverfahren des Drucksensors vereinfacht werden, da das System mit msI Stromquellen eingesetzt wird. Die Temperaturkompensation der Nullspannung kann außerdem entsprechend der Temperaturkompensation in bezug auf die DruckempfindÜchkelt 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 Vorspannungspolaritäten müßten dann gegenüber der erläuterten Ausführungsform umgekehrt werden.

Eine Halbleiter-Druckmeßvorrlchtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Bei dieser Ausführungsform 1st eine Brückenschaltung für einen größeren Druckmeßbereich gebildet. Fig. 7 zeigt ein schematlsches Schaltbild dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind zur Bezeichnung von Teilen oder Elementen, die solchen von Fig. 3 entsprechen, dieselben Bezugszahlen verwendet worden, ohne daß diese Teile welter erläutert werden. Bei dieser Ausführungsform bilden vier druckempfindliche Elemente die Elemente der vier Zweige einer Brückenschaltung. Beispielswelse sind die Widerstände Λ21 und Λ24 Meßwiderstände, deren Werte sich bei Druck erhöhen, während die Widerstände R22 und Pl^ Meßwiderstände sind, deren Werte sich verringern. Die Spannungstellerpunkte der Spannungstellerwlderständd VRl und VRl für die Temperaturkompensation der Nullspannung sind zwischen die entsprechenden Meßwiderstände geschaltet und jeweils über veränderbare Widerstände VRA und VRS an einen Meßverstärker A3 angeschlossen. Die Meßwiderstände Λ21, Λ22, Λ23 und Λ24 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 einer gemäß Fig. 8 In zwei Brückenschaltungen aufgeteilten Form erläutert. Die erste Brückenschaltung 10 schließt die Meßwiderstände Λ21, R22 und einen temperaturunempfindlichen Widerstand R ein. Zwischen die Meßwiderstände Λ21 und R22 ist der Spannungstellerwiderstand VRl geschaltet. Eine Nullspannung AVl wird zwischen einem veränderbaren Spannungsteilerpunkt ΛΊ des Spannungstellerwiderstandes VRl und einem festen Spannungsteilerpunkt R/2 des Widerstands R abgenommen. Die zweite Brücke 20 ist in gleicher Welse aufgebaut. Eine sich mit der Temperatur ändernde Speisespannung Ist an die Brücken iO und 20 angelegt.

Fig. 9 zeigt den Temperaturgang (-20 bis 8O⁰C) der Nullspannung. In Flg. 9 entspricht die ausgezogene Linie der Nullspannung AVl 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 ΛΊ = VRl bzw. ΛΊ = 0, Λ"2 = VR2 bzw. X2 = 0 ist. Ferner wird angenommen, daß VRl-50Ω und VR2 = 100Ω sind. Damit der Temperaturgang der Nullspannungen AVl und AV2 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 XMVRl = 1/3 und Ä"2/^2 = 3/4. Da VRl = 50£2 und VR2 = 100Ω, ergeben sich Xl = 17Ω und X2 = 75 Ω.

■50 Der feste Spannungstellerpunkt R/2 des Widerstands der jeweiligen Brückenschaltungen 10, 20 stellt einen gemeinsamen Potentialpunkt dar. Wenn der Brückente!! mit den MeBwiderständen /?21 und R22 und der Brückenteil ti:it den Meßwiderständen Λ23 und Λ24 mit der Ausnahme des Widerstands R kombiniert werden, erhält man die in Fig. 7 gezeigte Brückenschahung. Da jedoch jene Terme ersten Grades, bzw. die linear temperaturabhängigen Glieder in der Gleichung für die Spannung zwischen dem veränderbaren Spannungstellerpunkt auf der Seite des Widerstands VRl und dem veränderbaren Spannungsteilerpunkt auf der Seite des Widerstands VR2 geblieben sind, muß die durch sie hervorgerufene Temperaturabhängigkeit der Spannung durch neue Mittel kompensiert werden. Dies kann dadurch geschehen, daß ein veränderbarer Widerstand VRA zwischen den veränderbaren Spannungsteilerpunkt Xl des veränderbaren Widerstands VR1 im einen Brückenteil und Masse geschaltet wird, während ein veränderbarer Widerstand VRS zwischen den veränderbaren Span-

«> nungstellerpunkt X2 des veränderbaren Widerstands VR2 im anderen Brückenteil und Masse geschaltet wird und A"4, Λ"5 als Ausgangsanschlußklemmen gewählt werden. Tabelle 1 zeigt die Veränderung des Potentials am veränderbaren Spannungsteilerpunkt ΛΊ und Λ"2 abhängig von der Temperatur, bezogen auf den festen Spannungstellerpunkt R/2 und auf Massepotential.

Tabelle 1

Temperatur -20° C 30° C E0°C

Potential am Punkt Xl bezogen auf R/2 - 4,67 - 6,67 - 7,67 s

(mV) bezogen auf Masse 1620,33 2118,33 2367,33

Potential am Punkt X2 bezogen auf R/2 2,75 6,25 8,00

(mV) bezogen auf Masse 1627,75 2131,25 2383,00

Fig. 10 zeigt die Änderung der Potentiale an den veränderbaren Spannungsteilerpunkten ΛΊ, Xl über der Temperatur bezogen auf Massepotential. In Fig. 10 entspricht die ausgezogene Linie dem Potential am veränderbaren Spannungstellerpunkt Vl, während die gestrichelte Linie das Potential am veränderbaren Spannungsteilerpunkt Xl wiedergibt. Die Potentialänderung im Temperaturbereich von -20° C bis 80° C beträgt 747 mV am Spannungstellerpunkt Xl und 755,25 mV am Spannungstellerpunkt Xl. Wenn der Abriff des veränderbaren Widerstands VRS In bezug auf den Ausgangswert von VRl geeignet gewählt wird, ist es möglich, zu erreichen, daß sich die gleiche Potentialänderung wie für den veränderbaren Spannungsteilerpunkt Xl ergibt. Wenn der Abgriff von VRS an λ"5 eingestellt ist, ergibt sich für den Widerstandswert von der Masseseite her gesehen XSIVRS = 747/755,25 = 0,9891.

Das Potential am Punkt A"5 bezogan auf Massepotential 1st wie folgt:

Temperatur - 20⁰C 30⁰C 80⁰C

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

Die Punkt-Strich-Linle in Fig. 10 zeigt die Änderung des Potentials am veränderbaren Mittelpunkt XS über der Temperatur. Die Veränderungen der Potentiale an den Punkten ΑΊ und XS über der Temperatur werden einander gleich, und eine zwischen diesen Punkten ΛΊ und XS auftretende Potentialdifferenz erhält einen bestimmten Wert von 6V= 10,3 mV. Dabei wird der Wert des veränderbaren Widerstands VR4, der in Flg. 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 Xl und XS als Ausgangsanschlußklemmen betrachtet werden, besitzt die Nullspannung ein geringes δ V, wobei die temperaturabhängigen Spannungsänderungen kompensiert werden können. Falls Im Temperaturbereich von -20° C bis SO⁰C die Änderung des Potentials am veränderbaren Spannungstellerpunkt ΑΊ größer als die am veränderbaren Spannungsteilerpunkt Xl ist, wird ein veränderbarer Mittelpunkt XA des veränderbaren Widerstands VRA ausgewählt, während der Wert des veränderbaren Widerstands VRS null Ist. Wenn In diesem Fall die Punkte Xl, XA als Ausgangsan- · schlußklemmen angesehen werden, dann kann die Nullspannung temperatur-kompensiert werden.

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

Der einfachen Erläuterung halber sei angenommen, daß die Vorrichtung gemäß Flg. 3 aufgebaut ist und daß sich die Speisespannung VB für die Kompensation der Druckempfindlichkeit linear ändert, so daß sie 4 V bei -20° C, 5 V bei 30° C und 6 V bei 80° C beträgt. Ferner sei angenommen, daß der Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilerwiderslandes VRl gegenüber Masse auf einem Punkt des Widerstandswertes X liegt und das Potential VX hat, während der Spannungstellerpunkt des Spannungstellerwiderstands VRl gegenüber Masse auf einem Punkt des Widerstandswerts )' liegt und das Potential VY hat. In diesem Fall wird das Brückenausgangssignal, d.h. die Nullspannung AV, die zwischen den beiden Spannungsteilerpunkten im drucklosen Zustand auftritt, AV = VX-VY. Die Potentiale VX. VY sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Temperatur VX (V) VY (V)

__20OC 4X _4X

RIl	(-20)	+ R12 (-	+ X	20) + VRl
	RIl	(30)	(30)
RIl	(30) +	R12	+ X	+ VRl
	RIl	(80)

30°C 5 X ———— —- 5 X

R13 + R14 + VR2

R13 + Y R13 + R14 + VR2

R13+Y

80° C 6 x —^ 6 X

RIl (80) +Rl2 (80)+ VRl R13 + R14 + VR2

In Tabelle 2 stehen RlUT), RIl[T) für die Widerstandswerte der Meßwiderstände All, RU bei einer Temperatur von T °C. Man sucht zunächst einen Ausgangsanschluß von VRl, bei dem die Neigung einer Änderung der Nullspannung bei -20° C bis 30° C gleich der Neigung einer Änderung der Nullspannung bei 30° C bis 80° C ist, bei dem sich also die Nullspannung linear verändert. Das heißt es ist nur nötig, einen Wert des Widerstands zu finden, der folgende Gleichung erfüllt:

VX(30° C) - VX(-20° C) = VX(80° C) - VX(30° C) (3)

wobei ΚΛ1 = 71Ω, Λ13=Λ14 = 4000Ω und KÄ2 = 0sind.

Fig. 11 zeigt in grafischer Form den Temperaturgang der Nullspannung mit X als Parameter. Dabei ist, wie oben erwähnt, angenommen, daß sich die Speisespannung linear ändert. Aus Fig. Il ist zu entnehmen, daß Gleichung (3) für X = 45 £?. erfüllt ist. Der Temperaturgang der Nullspannung zeigt eine nach unten konkave

⁵ parabolische Kurve bei A* < 45 ίϊ und eine nach oben konkave parabolische Kurve bei X > 45 Ω. Wenn auf diese Welse Gleichung (3) erfüllt ist, ist der Temperaturgang der Nullspannung der Brückenschaltung linear. Läßt man das Potential VY am Ausgangsanschluß auf selten des festen Widerstands der Änderung von VX folgen, dann erhält man einen linearislerten Temperaturgang der Nullspannung ohne Neigung, d. h. die Nullspannung kann zu einem bestimmten gleichbleibenden Wert gemacht werden. Das bedeutet, daß man nur einen

¹⁰ Wert für den Widerstand Y finden muß, der folgende Gleichung erfüllt:

VXW C) - K«-20° C) = VYiSO" C) - Vi (-20° C) (4)

Es sei angenommen, daß Gleichung (3) bei KY(-20° C) = 2000 mV und IT(80° C) = 3018 mV erfüllt ist, wenn 15 bei VRl = 71 Ω X = 45 Ω ist. Wenn in diesem Fall VR2 = RU = RU = 4000Ω, gilt

VX (80° C) - VX (- 20° C)

= 1,018 V

= VY (80° C) - VY (- 20° C)

R13 + Y R13 + Y

= 6 X — —- - 4 X

R13 + R14 + VR2 R13 + R14 + VR2

Daraus erhält man )' = 2108 Ω. Die Nullspannung A V = VX - VY wird dann:

VX (80° C) - VY (80° C)

= VX (- 20° C) - VY (- 20° C)

= - 36mV.

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

f 35 Hierzu 5 Bist! iffThnu

Claims

Patentansprüche:

1. Halblelter-Druckmeßvorricbtung, umfassend ein Halbleiter-Substrat eines ersten Lfilifähigkeltslyps,
eine im Oberflächenbereich des Substrats ausgebildete, mit einem ersten Bezagsspannungsanschluß ver-

bundene und in Durchlaßrichtung vorgespannte, temperaturempfindliche Diode zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Druckempfindlichkeit durch Steuerung einer Bezugsspannung, und
eine mit einem zweiten Bezugsspannungsanschluß gekoppelte Widerstands-Brückenschaltung, öle als Widerstände eine Vielzahl von ersten Halbleiter-Zonen des zweiten Leitfähigkeitstyps umfaßt, welche im Oberflächenbereich des Substrats ausgebildet sind, druckabhängig ihren Widerstandswert ändern und gegenüber dem Substrat In Sperrlchtung vorgespannt sind,
dadurch gekennzeichnet,

daß ein Pol der Diode von dem Substrat (12) gebildet Ist, daß die Brückenschaltung (Λ21 bis Λ24) mit dem zweiten Bezugsspannungsanschluß (V-) über einen Transistor (TR) verbunden 1st, dessen Leitungszustand von der Klemmenspannung der Diode gesteuert ist, und

daß die Brückenschaltung einen ersten Brückenteil und einen zweiten Brückenteil aufweist, von denen der erste Brückenteil zwei widerstandsbehaftete Halbleiterzonen (14, All; 15, RIl) mit jeweiligem Plezoeffekt entgegengesetzt gerichteter Polarität sowie einen ersten Spannungsteilerwiderstand (VRl), der zwischen die beiden widerstandsbehafteten Halbleiter-Zonen geschaltet ist und keinen Plezoeffekt aufweist, umfaßt, während der zweite Brückenteil einen zweiten Spannungstellerwiderstand (VRl) ohne Piezoeffekt einschließt, wobei die Ausgangsspannung zwischen Spannungstellerpunkten des ersten und des zweiten Spannungsteilerwiderstandes abgreifbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat (12) n-leltend und mit Masse verbunden ist, daß die zweiten Halbleiter-Zonen p-leitend sind und daß der erste und der zweite Bezugsspannungsanschluß (V+. V-) mit einer positiven biw. einer negativen Spannungsquelle verbunden sind.

3. Verfahren zum Einstellen einer optimalen Temperaturkompensation bei einer Halbleitei-Druckmeßvorrlchtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Einstellen des zweiten Spannungstellerwiderstandes zur Erzielung eines Spannungsteilerverhältnisses von 1/2 und Einstellen des Spannungstellerverhältnisses des ersten Spannungstellerwiderstandes in einer solchen Weise, daß der Temperaturgang der Ausgangsspannung zwischen den beiden Spannungsteilerpunkten im drucklosen Zustand dem Temperaturgang der Ausgangsspannung einer Stromversorgungseinrichtung ähnlich wird, und

Einstellen des Spannungstellerverhältnisses des zweiten Spannungstellerwiderstandes In einer solchen Welse, daß der Temperaturgang des Potentials am Spannungsteilerpunkt des zweiten Spannungstellerwiderstandes gleich dem Temperaturgang des Potentials am Spannungsiellerpunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes wird.

4. Verfahren zum Einstellen einer optimalen Temperaturkompensation bei einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Einstellen des Spannungstellerverhältnisses des ersten Spannungsteilerwiderstandes In einer solchen Welse, daß der Temperaturgang des Potentials am Spannungstellerpunkt des ersten Spannungsteilerwiderstandes im drucklosen Zustand llnearislert Ist, und

Einstellen des Spannungstellerverhältnisses des zweiten Spannungsteilerwiderstandes In einer solchen Weise, daß der Temperaturgang des Potentials am Spannungstellerpunkt des zweiten Spannungstellerwiderstandes im drucklosen Zustand gleich dem Temperaturgang des Potentials am Spannungstellerpunkt des ersten Spannungstellerwiderstandes wird.

5. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Pol der Diode von dem Substrat (12) gebildet Ist, daß die Brückenschaltung (Λ21 bis Λ24) mit dem zweiten Bezugsspannungsanschluß (V-) über einen Transistor (TR) verbunden 1st, dessen Leitungszustand von der Klemmenspannung der Diode gesteuert Ist,

so daß die Brückenschaltung einen ersten und einen zweiten Brückenzweig auffaßt,

daß der erste Brückenzweig zwei widerstandsbehaftete Halbleiter-Zonen (Λ21, Λ22) mit jeweiligem Piezoeffekt einander entgegengesetzt gerichteter Polarität sowie einen ersten Spannungstellerwiderstand (VRl), der zwischen die beiden widerstandsbehafteten Halbleiter-Zonen geschaltet 1st und keinen Plezoeffekt besitzt, einschließt,

daß der zweite Brückenteil zwei widerstandsbehaftete Halbleiter-Zonen (Λ23, Λ24) mit jeweiligem Piezoeffekt einander entgegengesetzt gerichteter Polarität sowie einen zweiten Spannungstellerwiderstand (VRl), der zwischen die beiden widerstandsbehafteten Halbleiter-Zonen geschaltet 1st und keinen Plezoeffekt besitzt, einschließt,
daß der erste und der 7welte Brückenteil in einer solchen Welse kombiniert sind, daß jeweils benachbarte Elemente einen Plezoeffekt entgegengesetzter Polarität besitzen,

daß ein erster und ein zweiter veränderbarer Widerstand (VRA, VRS) an Spannungstellerpunkte des ersten bzw. des zweiten Spannungstellerwiderstandes (VRl, VRl) angeschlossen sind, und

daß die Ausgangsspannung zwischen dem ersten veränderbaren Widerstand und dem zweiten veränderbaren Widerstand abgreifbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat (12) n-leltend und mit Masse verbunden Ist, daß die zweiten Halbleiter-Zonen p-leltend sind und daß der erste und der zweite Bezugsspannungsanschluß (V+, V-) mit einer positiven bzw. einer negativen Spannungsquelle verbunden sind.

7. Verfahren zum Einstellen einer optimalen Temperaturkompensation bei einer Halblelter-Dmckmeßvorrlchtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch die Schritte:

Einstellen des Spaiinungstellerverhältnisses von erstem und zweitem Spannungsteilerwiderstand in einer solchen Weise, daß der Temperaturga^ig der Ausgangsspannung zwischen den beiden Spannungstellerpunkten von erstem und zweitem Spannungsteilerwiderstand Im drucklosen Zustand dem Temperaturgang der Ausgangsspannung einer Stromversorgungseinrichtung ähnlich wird.

Auswählen und Nullmachen des mit demjenigen der beiden Spannungsteiierwiderstände verbundenen veränderbaren Widerstandes, an dessen Spannungstellerpunkt sich das Potential weniger als am Spannungsteilerpunkt des anderen Spannungsteiler-viderstandes ändert, und

Einstellen des Wertes des anderen veränderbaren Widerstandes in einer solchen Weise, daß der temperatur- ίο änderungsbedingte Änderungsbetrag des Potentials am Ausgangsanschluß dieses anderen veränderbaren Widerstandes gleich dem temperaturänderungsbedingten Änderungsbetrag des Potentials am Ausgangsanschluß des ersteren der beiden veränderbaren Widerstände wird.