Piezoresistive mikroelektromechanische Sensoren (MEMS) in Silizium eignen sich hervorragend für die Messung physikalischer Größen wie Druck, Kraft, Durchfluss und Beschleunigung. Sie zeichnen sich durch hohe Empfindlichkeit bei geringer Bauteilgröße, hohes Signal-Rausch-Verhältnis und elektronische Stabilität sowie eine sehr lineare Kennlinie und vergleichsweise geringe Kosten aus. Speziell piezoresistive Drucksensoren sind üblicherweise für Temperaturen bis ca.130°C ausgelegt.
Die Rohsignale des Sensorelementes verarbeitet ein ASIC, der auch die Kalibrierdaten für die Temperaturkompensation des Ausgangssignals enthält. Im erweiterten Temperaturbereich sind derzeit kaum kommerzielle ASICs verfügbar. Bisher wurde der ASIC vom Messort des Drucksensorchips räumlich abgesetzt. Dies verringert die Messgenauigkeit, vergrößert den Bauraum und erhöht die Herstellungskosten.
Daher wurde eine analoge, auf dem Sensorchip integrierte Temperaturkompensation für Temperaturen bis ca. 300°C konzipiert und umgesetzt.
Vorteile:
• keine hochtemperaturtauglichen ASICs zur Temperaturkompensation
• Vermeidung systematischer Temperaturfehler, bedingt durch die räumliche Absetzung
• Verbesserte Dynamik des Systems bei Temperaturwechseln
• Reduktion von Bauraum und Herstellungskosten
Durch Anpassung von Chipdesign und Halbleitertechnologie wurden piezoresistive Drucksensorchips im Temperaturbereich von +40°C bis +300°C entwickelt und gefertigt.
Das Ergebnis ist auf klassische piezoresistive Si-Drucksensoren im Temperaturbereich bis 130°C als analoge Vorkompensation anwendbar. Für Kalibrierungen erfordern weniger Temperaturstützstellen, oder in Abhängigkeit von der angestrebten Genauigkeit entfällt die Kalibrierung sogar ganz.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Analoge integrierte Temperaturkompensation für Hochtemperatur-Anwendungen“ (ANITHA) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert. (FZK: 49MF180042)
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