Sensor 11
Sensor 11 Sensor 11
74 Werkstoffe und Sensorik ________________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 11.9. - 11.12.: Mikroelektronisch hergestellte Halbleiterdehnungsmeßstreifen . Abb. 11.5. Geeignet behandeltes Poly-Silizium auf isolierender Unterlage kann für einen druckabhängigen Widerstand eingesetzt sein. Leitende Unterlagen müssen mit einer Isolationsschicht versehen sein. Der K-Faktor ist eine Zehnerpotenz geringer als bei einkristallinem Silizium. Das Poly-Si wird hauptsächlich in seinen elektrischen Eigenschaften durch Rekristallation, Temperung und Implantationen eingestellt. Abb. 11.9. 4 diffundierte Widerstände in der abgedünnten Siliziummembran sind als Vollbrücke geschaltet. Sie müssen auf der Membran so angeordnet sein, daß jeweils R 1 und R 4 sowie R 2 und R 3 eine gleiche Widerstandsänderung bei Druckänderung erfahren, z. B. R 1 + DR, R 4 + DR, R 2 - DR, R 3 - DR. Abb. 11.6. Aufbau als Absolutdrucksensor bezogen auf Vakuum. Dabei wird das Silizium mit dem druckabhängigen Widerstand in der abgedünnten Membran vakuumdicht auf eine Unterlage aufgebracht. Abb. 11.10. Eingespannter Biegebalken mit aufgeklebtem DMS. Die Widerstandsänderung ist DR R 0 3 dd Ê l - x 1 + x 2 ˆ Ë 2 ¯ = K 2 l 3 . Abb. 11.7. Aufbau als Relativdrucksensor durch Vergleich mit Atmosphärendruck. Die Dehnung e wirkt an der Oberfläche des Biegebalkens. Ist noch ein Halbleitersubstrat zwischen durckabhängigen Widerständen und Oberfläche des Biegebalkens vorhanden, so wird e entsprechend verringert. Abb. 11.8. Aufbau als Differenzdrucksensor, indem die Druckdifferenz auf den druckabhängigen Widerstand in der Si- Membran wirkt. Abb. 11.11. Prinzipielle Zug- und Druckverteilung bei Wirken einer Kraft F auf die Frontseite der dargestellten Membran.
Werkstoffe und Sensorik 75 ________________________________________________________________________________________________________________________ Abb. 11.13. - 11.15.: Integration von Halbleiterdehnungsmeßstreifen und Auswerteschaltung. Abb. 11.12. Anordnung der druckabhängigen Widerstände auf ei Biegeplatte bzw. Membran. Ausgangsmaterial ist eine n-Si- Scheibe, (121)-orientiert. Längswiderstände liegen in [111]- Richtung, Querwiderstände in [101]-Richtung. Dadurch haben die Widerstandsänderungen bei Druckbelastung eine entgegengesetztes Vorzeichen und führen in einer Brückenschaltung zu sich addierenden Wirkungen. Abb. 11.13. Drucksensor aus 4 diffundierten Widerständen in einer Siliziummembran und Signalverarbeitungselektronik im gleichen Silizium Abb. 11.14. Schaltung, Querschnitt und Draufsicht eines integrierten Drucksensors aus Dehnungsmeßstreifen und Interfaceelektronik. Die gestrichelte Linie zeigt den Membranbereich in der Draufsicht an. Außerhalb dieses Bereiches sind die Strukturen des Differenzverstärkers angebracht. Der Querschnitt zeigt, daß für die elektronische Schaltung und die diffundierten Widerstände die gleiche Schichtenfolge benutzt wird.
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Abb. <strong>11</strong>.9. - <strong>11</strong>.12.: Mikroelektronisch hergestellte<br />
Halbleiterdehnungsmeßstreifen .<br />
Abb. <strong>11</strong>.5. Geeignet behandeltes Poly-Silizium auf isolierender<br />
Unterlage kann für einen druckabhängigen Widerstand eingesetzt<br />
sein. Leitende Unterlagen müssen mit einer Isolationsschicht<br />
versehen sein. Der K-Faktor ist eine Zehnerpotenz<br />
geringer als bei einkristallinem Silizium. Das Poly-Si wird<br />
hauptsächlich in seinen elektrischen Eigenschaften durch Rekristallation,<br />
Temperung und Implantationen eingestellt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.9. 4 diffundierte Widerstände in der abgedünnten<br />
Siliziummembran sind als Vollbrücke geschaltet. Sie müssen<br />
auf der Membran so angeordnet sein, daß jeweils R 1 und R 4<br />
sowie R 2 und R 3 eine gleiche Widerstandsänderung bei Druckänderung<br />
erfahren, z. B. R 1 + DR, R 4 + DR, R 2 - DR, R 3 - DR.<br />
Abb. <strong>11</strong>.6. Aufbau als Absolutdrucksensor bezogen auf<br />
Vakuum. Dabei wird das Silizium mit dem druckabhängigen<br />
Widerstand in der abgedünnten Membran vakuumdicht auf eine<br />
Unterlage aufgebracht.<br />
Abb. <strong>11</strong>.10. Eingespannter Biegebalken mit aufgeklebtem<br />
DMS. Die Widerstandsänderung ist<br />
DR<br />
R 0<br />
3 dd<br />
Ê<br />
l - x 1 + x 2 ˆ<br />
Ë 2 ¯<br />
= K<br />
2 l 3 .<br />
Abb. <strong>11</strong>.7. Aufbau als Relativdrucksensor durch Vergleich mit<br />
Atmosphärendruck.<br />
Die Dehnung e wirkt an der Oberfläche des Biegebalkens. Ist<br />
noch ein Halbleitersubstrat zwischen durckabhängigen Widerständen<br />
und Oberfläche des Biegebalkens vorhanden, so wird e<br />
entsprechend verringert.<br />
Abb. <strong>11</strong>.8. Aufbau als Differenzdrucksensor, indem die<br />
Druckdifferenz auf den druckabhängigen Widerstand in der Si-<br />
Membran wirkt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.<strong>11</strong>. Prinzipielle Zug- und Druckverteilung bei Wirken<br />
einer Kraft F auf die Frontseite der dargestellten Membran.
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