Neuartiger überlastfester piezoresistiver Silizium-Hochdrucksensor (A Novel Overload Resistant Piezoresistive Silicon High Pressure Sensor)

Stefanos Stavroulis and Roland Werthschützky

Abstract

Bei den gegenwärtig bekannten piezoresistiven Silizium-Drucksensoren wird der zu messende Druck durch eine festeingespannte Siliziumdruckmessplatte in eine elastische Deformation umgewandelt. Aufgrund der entstehenden mechanischen Spannungen im Material ändern sich die Widerstandswerte der in der Druckmessplatte dotierten Halbleiterwiderstände. Die durch nasschemisches Ätzen hergestellte Druckmessplatte weist einen begrenzten Überlastwert auf, sodass die bekannten Silizium-Drucksensoren mit Verformungskörper zur Messung von Drücken bis maximal 1000 bar eingesetzt werden können. Bei der neuartigen Lösung besteht das Messelement aus einem unabgedünnten Siliziumchip mit piezoresistiven Widerständen auf der Oberfläche und ganzflächiger anodisch gebondeter Verbindung der Chip-Unterseite mit einem Borosilikatglas-Substrat (z.B. Pyrex). Aufgrund der Unterschiede der Elastizitätsmodule von Silizium und Pyrex treten bei allseitiger Druckeinleitung mechanische Spannungen in der Verbindungsfläche zwischen den beiden Werkstoffen auf. Die mechanischen Spannungen im Siliziumchip führen aufgrund des piezoresistiven Effekts zu einer Änderung der in seine Oberfläche implantierten Widerstände.

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