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Title:
ARRANGEMENT FOR A SEMICONDUCTOR-BASED PRESSURE SENSOR CHIP, AND PRESSURE SENSOR CHIP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/158155
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement for a semiconductor-based pressure sensor chip comprising: piezoresistive elements (8) which are formed with an electrically doped channel (6) in a layer arrangement (3) in the region of a pressure membrane (4) of a semiconductor substrate (1); an electrically conductive cover layer (12) which is formed in the layer arrangement (3) and is electrically insulated from the piezoresistive elements (8) by means of an insulating layer (9); a bridge circuit of transistors, each of which are formed with one of the piezoresistive elements (8), wherein gate electrodes (10) of the transistors are arranged in electrically doped layer regions in the electrically conductive cover layer (12), said layer regions being formed separately from one another; and a signal feedback using which an output signal present at the output of the bridge circuit is fed back in a signal-amplifying manner to one or more of the gate electrodes (10). The invention also relates to a pressure sensor chip.

Inventors:
PIERSCHEL MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/DE2019/100110
Publication Date:
August 22, 2019
Filing Date:
February 01, 2019
Export Citation:
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Assignee:
FIRST SENSOR AG (DE)
International Classes:
G01L9/00; G01L9/06
Foreign References:
US20090036754A12009-02-05
US5780727A1998-07-14
US20120198946A12012-08-09
EP0783670B12000-04-26
EP2485028A12012-08-08
Attorney, Agent or Firm:
BOEHMERT & BOEHMERT ANWALTSPARTNERSCHAFT MBB et al. (DE)
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Claims:
Ansprüche 1. Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip, mit:

- piezoresistiven Elementen (8), die mit einem elektrisch dotierten Kanal (6) in einer Schichtanordnung (3) im Bereich einer Druckmembran (4) eines Halbleitersubstrats (1) gebildet sind;

- einer elektrisch leitfähigen Deckschicht (12), die in der Schichtanordnung (3) gebildet ist und mittels einer Isolierschicht (9) von den piezoresistiven Elementen (8) elektrisch isoliert ist;

- einer Brückenschaltung (20) von Transistoren (Ti T4), die jeweils mit einem der piezoresistiven Elemente (8) gebildet sind, wobei Gate-Elektroden (10) der Transistoren (T1 T4) in der elektrisch leitfähigen Deckschicht (12) in elektrisch dotierten

Schichtbereichen angeordnet sind, die voneinander getrennt gebildet sind; und

- einer Signalrückkopplung (25), mit der ein am Ausgang (23, 24) der Brückenschaltung (20) anliegendes Ausgangssignal auf eine oder mehrere der Gate-Elektroden (10) der Transistoren (T1, .... T4) der Brückenschaltung (20) signalverstärkend rückgekoppelt ist. 2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektroden (10) zum Rückkoppeln einzeln an Ausgänge (23, 24) der Brückenschaltung (20) angeschlossen sind. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1, ..., T4) jeweils mit einer als Metall-Oxid-Halbleiterstruktur gebildet sind, in welcher der elektrisch dotierten Kanal (6) der piezoresistiven Elementen (8) als Metall-Oxid- Halbleiterkanal ausgeführt ist. 4. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalrückkopplung (25) eine Signalvorverarbeitung (26) aufweist, die eingerichtet ist, das am Ausgang (23, 24) der Brückenschaltung (20) anliegende Ausgangssignal vor dem Rückkoppeln aufzubereiten. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektroden (10) paarweise an die Signalvorverarbeitung (26) koppeln.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gate-Elektroden (10) einzeln an die Signalvorverarbeitung (26) koppeln.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalvorverar- beitung (26) den Arbeitspunkt verschiebende Schaltungselemente aufweist, die jeweils einem der Transistoren (T1, ..., T4) zugeordnet und eingerichtet sind, den jeweiligen Arbeitspunkt der Transistoren (T1 T4) einzustellen.

8. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Gate-Elektroden (10) der Transistoren (T1 , ..., T4) in der elektrisch leitfähigen Deckschicht (12) aus elektrisch dotiertem Polysilizium sind.

9. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (23, 24) der Brückenschaltung (20) mit einem po- sitiven und einem negativen Ausgang gebildet ist, an welchen das Ausgangssignal symmetrisch als positives und negatives Ausgangssignal anliegt.

10. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den piezoresistiven Elementen (8) der elektrisch dotierte Kanal (6) zwischen elektrisch dotierten Gebieten (7a, 7b) angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden ist, wobei der elektrisch dotierte Kanal (6) über die elektrisch dotierten Gebiete (7a, 7b) nach außen kontaktierbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch do- tierte Kanal (6) in Berührungskontakt mit den elektrisch dotierten Gebieten (7a, 7b) gebildet ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch dotierten Schichtbereiche, in welchen die Gate-Elektroden (10) gebildet sind, mit Blick auf eine Flachseite der Druckmembran (4) mit den elektrisch dotierten Gebieten (7a, 7b) überlappen.

13. Drucksensorchip, mit einer Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche.

14. Drucksensorchip nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass eine Signalvorverarbeitung, die eingerichtet ist, ein Ausgangssignal vor dem Rückkoppeln aufzubereiten, chipintern ausgebildet ist.

15. Drucksensorchip nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalvorverarbeitung (26), die eingerichtet ist, ein Ausgangssignal vor dem Rückkoppeln aufzubereiten, chipextern ausgebildet ist.

Description:
Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip und Drucksensorchip

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip und einen Drucksensorchip.

Hintergrund

Halbleiterdrucksensoren mit piezoresistiven Elementen werden in vielen Applikationen der Technik, Medizin, Automobilen und im Maschinenbau eingesetzt. Hierbei werden in der Re- gel mittels Dotierung Halbleiterbereiche nahe einer Chipoberfläche genutzt, die über eine mechanische Vorspannung des Chips Signale generieren. Diese Signale sind in der Regel nicht sehr groß. Deshalb werden Brückentechniken wie beispielsweise eine Wheatstonsche Messbrücke genutzt, um die auf einem Chip entstehenden Signaldifferenzen zu nutzen. Um die Empfindlichkeit der Strukturen weiter zu erhöhen, wird in der Regel wenigstens der zentrale Bereich eines solchen Chips, in dem sich die piezoresistiven Strukturen befinden, von der Rückseite her selektiv abgedünnt. Die venbleibende Deckschichtdicke, die auch als Membrandicke bezeichnet wird, bestimmt oft die Gesamtempfindlichkeit eines solchen Chips.

Allerdings sind sehr kleine Membrandicken technisch nur schwer reproduzierbar zu fertigen. Für die Messung feinster Druckunterschiede reichen deshalb die vorhandenen Lösungen oft nicht aus. Um die mechanischen Eigenschaften und die Hysterese der gewonnenen Signale zu verbessern besitzen solche Chips oft zusätzliche Deckschichten, auch über den piezoresistiven Strukturen, die sich meist im Halbleitersubstrat befinden. In der Regel existieren immer isolierende Deckschichten, um die Generationseigenschaften des Halbleitersubstrates technisch zu beherrschen. Darüber liegende Deckschichten können ebenfalls als Isolator über den Strukturen liegen oder auch als leitfähige Schicht, beispielsweise als Metallschicht oder als dotierte Polysiliziumschicht oder als leitfähige ITO-Schicht („Indium Tin Oxide').

Dokument EP 0 783 670 B1 offenbart einen elektromechanischen Messumformer mit piezoresistiven Elementen, die mit einem elektrisch dotierten Kanal in einem Halbleiter-Substrat gebildet sind. Dokument EP 2485 028 A1 offenbart eine druckempfindliche Verstärkerstufe, die vier unipolare Drucksensor-Transistoren mit jeweils einem piezoresistiven Strompfad aufweist, die als Druckmessbrücke mit zwei Brückenzweigen verschaltet sind, welche jeweils einen ersten und einen zweiten, bezüglich ihrer Strompfade in Reihe geschalteten Drucksensor-Transistor aufweisen. Ferner sind zwei unipolare Steuer-Transistoren mit jeweils einem Steueran- schluss und einem sich zwischen einem weiteren ersten und einem weiteren zweiten An- schluss erstreckenden Strompfad vorgesehen. Hierbei sind die ersten und die zweiten Anschlüsse der Steuer-Transistoren jeweils paarweise verbunden sowie die Steueranschlüsse der Steuer-Transistoren jeweils mit einem Knotenpunkt zwischen den Drucksensor- Transistoren der beiden Brückertzweige. Die untereinander verbundenen zweiten Anschlüsse der beiden parallel geschalteten Steuer-Transistoren sind mit den Steueranschlüssen der zweiten Drucksensor-Transistoren der beiden Brückenzweige verbunden. Die Verstärkerstufe weist femer zwei Stromquellen auf. An die Steueranschlüsse der ersten Drucksensor- Transistoren der beiden Brückenzweige ist eine Betriebseingangsspannung anlegbar, und zwischen den jeweiligen Drucksensor-Transistoren der beiden Brückenzweige ist eine Messausgangsspannung abgreifbar, wobei die Messausgangsspannung der Druckmessbrücke mit den Steueranschlüssen der ersten Drucksensor-Transistoren der beiden Brückenzweige einer weiteren Druckmessbrücke zur Kaskadierung der Druckmessbrücken angelegt wird.

Zusammenfassung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip und einen Drucksensorchip anzugeben, um die Messempfindlichkeit der Drucksensoren zu erhöhen.

Zur Lösung sind eine Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip und einen Drucksensorchip nach den unabhängigen Ansprüchen 1 und 13 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt ist eine Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip geschaffen welcher piezoresistive Elemente aufweist, die mit einem elektrisch dotierten Kanal in einer Schichatanordnung im Bereich einer Deckmembran eines Halbleitersubstrats gebildet sind. Es ist eine elektrisch leitfähige Deckschicht in der Schichtanordnung vorgesehen, die mittels einer Isolierschicht von den piezoresistiven Elementen elektrisch isoliert ist Eine Brückenschaltung weist Transistoren auf, die jeweils mit einem der piezoresistiven Elemente gebildet sind, wobei Gate-Elektroden der Transistoren in der elektrisch leitfähigen Deckschicht in elektrisch dotierten Schichtbereichen angeordnet sind, die voneinander getrennt gebildet sind. Die Anordnung weist weiterhin eine Signalrückkopplung auf, mit der ein am Ausgang der Brückenschaltung anliegendes Ausgangssignal auf eine oder mehrere der Gate-Elektroden der Transistoren der Brückenschaltung signalverstärkend rückgekoppelt wird.

Nach einem weiteren Aspekt ist ein Drucksensorchip mit einer solchen Anordnung geschaffen.

Mittels der vorgeschlagenen Signalrückkopplung auf die Brückenschaltung selbst wird die anfänglich durch eine mechanische Vorspannung hervorgerufene Brückenverstimmung verstärkt. Es ist so eine erhöhte Messempfindlichkeit bereitgestellt. Der elektrische Widerstand, also die elektrische Leitfähigkeit, des elektrisch dotierten Kanals der piezoresistiven Elemente ist aufgrund mechanischer Vorspannung des zugeordneten Bereichs der Druckmembran veränderbar. Wird die Druckmembran mit Druck beaufschlagt, so verformt sie sich, wodurch die elektrische Leitfähigkeit des zugeordneten elektrisch dotierten Kanals verändert wird.

Der elektrische Widerstand des elektrisch dotierten Kanals ist weiterhin mittels Ansteuerung der Gate-Elektrode des dem piezoresistiven Element zugeordneten Transistors veränderbar.

Die Isolierschicht in der Schichtanordnung bildet eine Gate-Elektroden-Isolierung gegenüber den Strukturen Im Halbleitersubstrat, Insbesondere gegenüber dem elektrisch dotierten Kanal.

Mittels der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Signalrückkopplung ist das an einem Ausgang der Brückenschaltung anliegende Ausgangssignal auf eine oder mehrere der Gate- Elektroden signalverstärkend auf der Anordnung der die Brückenschaltung bildenden Transistoren (also auf die Brückenschaltung selbst) rückgekoppelt.

Die Gate-Elektroden können zum Rückkoppeln einzeln an Ausgänge der Brückenschaltung angeschlossen sein. Alternativ können die Gate-Elektroden paarweise an den Ausgang der Brückenschaltung angeschlossen sein. Die Transistoren können jeweils mit einer Metall-Oxid-Halbleiterstruktur gebildet sein, in welcher der elektrisch dotierte Kanal der piezoresistiven Elemente als Metall-Oxid-Halbleiterkanal ausgeführt ist.

Die Brückenschaltung des halbleiterbasierten Drucksensorchips ist aus den vier Transistoren bestehend gebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass bei der Brückenschaltung die Signalrückkopplung frei von weiteren Transistoren ausgeführt ist. Hierdurch kann bei der Brückenschaltung die Signalrückkopplung frei von weiteren Transistoren auf dem Drucksensorchip ausgeführt sein.

Der Drucksensorchip kann mit nur einer einzigen Anordnung ausgeführt sein, bei der die Transistoranordnung der Brückenschaltung von den (nur) vier Transistoren gebildet ist. Die Signalrückkopplung kann eine Signalvorverarbeitung aufweisen, die eingerichtet ist, das am Ausgang der Brückenschaltung anliegende Ausgangssignal vor dem Rückkoppeln aufzubereiten. Die Signalvorverarbeitung kann eine elektrische Filtereinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, das rückzukoppelnde Ausgangssignal vor dem Rückkoppeln zu filtern. Die Signalvorverarbeitung kann eine Kompensationseinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, das rückzukoppelnde Ausgangssignal vor dem Rückkoppeln zu verarbeiten, derart, dass Nichtlinearitäten in dem Gang des Ausgangssignales über der Temperatur oder über dem zu erfassenden Druckbereich beseitigt werden, beispielsweise Nichtlinearitäten aufgrund von Temperatureinflüssen und / oder anderen Einflüssen. Die Gate-Elektroden können paarweise an die Signalvorverarbeitung koppeln.

Die Gate-Elektroden können einzeln an die Signalvorverarbeitung koppeln. Auf diese Weise können für die Gate-Elektroden der verschiedenen Transistoren individuell angepasste Rückkopplungssignale bereitgestellt werden.

Die Signalvorverarbeitung kann Arbeitspunkt verschiebende oder einstellende Schaltungselemente aufweisen, die jeweils einem der Transistoren zugeordnet und eingerichtet sind, den jeweiligen Arbeitspunkt der Transistoren einzustellen. Auf diese Weise können Unterschiede betreffend den Arbeitspunkt der Transistoren kompensiert werden. Die Gate-Elektroden der Transietoren können in der elektrisch leitfähigen Halbleiterschicht aus dotiertem Polysilizium sein. Alternativ können die Halbleitermaterialien InP oder GaAsP zum Einsatz kommen. Der Ausgang der Brückenschaltung kann mit einem positiven und einem negativen Ausgang gebildet sein, an welchen das Ausgangssignal symmetrisch als positives und negatives Ausgangssignal anliegt Es kann vorgesehen sein, das positive Signal an die Gate-Elektroden von zwei der Transistoren und das negative Ausgangssignal an die anderen zwei der Transistoren rückzukoppeln.

Bei den piezoresistiven Elementen kann der dotierte Kanal zwischen elektrisch dotierten Gebieten angeordnet und mit diesen leitfähig verbunden sein, wobei der dotierte Kanal über die dotierten Gebiete nach außen kontaktierbar ist. Zur elektrischen Kontaktierung können die dotierten Gebiete mit Kontakt- oder Anschlussstellen elektrisch verbunden sein. Die do- tierten Gebiete können eine höhere Dotierung als der dotierte Kanal aufweisen, also eine höhere Dotierstoffkonzentration. Der Schichtwiderstand der Piezodotierungen, hier dotierter Kanal genannt, kann zum Beispiel etwa 900 Ohm pro Quadrat betragen. Der elektrische Widerstand der dotierten Gebiete kann bei etwa 25 bis etwa 30 Ohm pro Quadrat liegen. Die entsprechenden Konzentrationen des Dotierungsstoffes können sich also wenigstens um den Faktor von etwa 30 unterscheiden.

Der (elektrisch) dotierte Kanal kann in Berührungskontakt mit den dotierten Gebieten gebildet sein. Die elektrisch dotierten Schichtbereiche, in welchen die Gate-Elektroden gebildet sind, können mit Blick auf eine Flachseite der Druckmembran mit den elektrisch dotierten Gebieten überlappen. Die elektrisch dotierten Schichtbereiche können flachenmäßig wenigstens zu 50 Prozent mit den elektrisch dotierten Gebieten überlappen. In Verbindung mit dem Drucksensorchip können die im Zusammenhang mit der Anordnung vorangehend erläuterten Ausgestaltungen entsprechend vorgesehen sein. Hierbei kann die Signalvorverarbeitung in den Drucksensorchip integriert sein (chipintem) oder mit Schaltungselementen, insbesondere mit denen, die vorangehend beispielhaft beschrieben wurden, außerhalb des Drucksensorchips (chipextern) erfolgen. Die Formulierung Dotierung bezieht sich in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung auf eine elektrische Dotierung, mit der die elektrische Lettfähigkeit des dotierten Materials verändert oder moduliert wird.

Für ein sogenanntes Jevel shifting" kann in einer Ausgestaltung für alle (vier) Transistoren der Brückenschaltung ein (Extra-) Anschluss der jeweiligen Gate-Elektrode vorgesehen sein. Eine externe Signalvorverarbeitung, also zum Beispiel eine Signalverarbeitung außerhalb des Drucksensorchips mit der Bruckenschaltung, kann eingerichtet sein, entweder für alle Transistoren der Brückenschaltung gleich ein im DC-Arbeitspunkt passendes Ausgangssignal zu liefern, oder die zwei Ausgangssignale der Brückenschaltung werden jeweils noch Ober eine Schaltung zum Verschieben des Arbeitspunktpegels so verändert, dass vier gewünschte unterschiedliche Signale generiert werden.

Beschreibung von Ausfΰhrungsbeispielen

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip im Schnitt;

0 Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung mit Transistoren für einen

Drucksensorchip;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Brückenschaltung mit Transistoren für einen Drucksensorchip, wobei eine externe Signalvorverarbeitung vorgesehen ist; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Brückenschaltung mit Transistoren für einen Drucksensorchip, wobei eine externe Signalvorverarbeitung vorgesehen ist, die einzeln an Gate-Elektroden der Transistoren koppelt

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip im Schnitt mit einem Halbleitersubstrat 1, an dem in einem Bereich 2 einer Schichtanordnung 3 eine Druckmembran 4 ausgebildet ist Ein Pfeil 5 zeigt schematisch eine Druckbeaufschlagung der Druckmembran 4 von unten an. Alternativ ist es möglich, den Druck über ein Medium von oben auf die Druckmembran 4 wirken zu lassen. In der Schichtanordnung 3 ist ein elektrisch dotierter Kanal 6 ausgebildet, in dem eine elektrische Dotierung eingebracht ist. Der elektrisch dotierte Kanal 6 erstreckt sich zwischen elektrisch dotierten Gebieten 7a, 7b, über welche der elektrisch dotierte Kanal 6 nach außen elektrisch kontaktierbar ist, besonders über Kontaktstellen oder -pads (nicht dargestellt). Mit dem elektrisch dotierten Kanal 6 ist ein piezoresistives Element 8 gebildet, dessen elektrische Leitfähigkeit (Widerstand) sich ändert, wenn die Druckmembran 4 mit Druck beaufschlagt wird, was zu einer mechanischen Verformung einer Druckmembran 4 führt. Ein solcher piezoelektrischer Effekt ist als solcher bekannt. Auf dem Halbleitersubstrat 1 ist in der Schichtanordnung 3 eine elektrisch isolierende Schicht

9 angeordnet, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel den elektrisch dotierten Kanal 6 sowie die elektrisch dotierten Gebiet 7a, 7b überdeckt und diese so von einer Gate-Elektrode

10 elektrisch isoliert. Die Gate-Elektrode 10 ist Teil eines Transistors 11, der mit der Gate- Elektrode 10, dem elektrisch dotierten Kanal 6 sowie der die elektrisch isolierende Schicht 9 gebildet ist, mit der eine Gate-Elektroden-Isolierung bereitgestellt ist.

Zum Ausbilden einer Anordnung für einen halbleiterbasierten Drucksensorchip können vier der in Fig. 1 gezeigten Strukturen vorgesehen sein, die jeweils eine das piezoresistive Element 8 sowie die zugeordnete Gate-Elektrode 10 umfassende Struktur aufweisen. Die Gate- Elektroden 10 können dann als getrennte elektrisch dotierte Schichtbereiche in einer elektrisch leitfähigen Halbleiterschicht 12 der Schichtanordnung 3 gebildet werden, die auch als Deckschicht bezeichnet werden kann. Diese Schicht kann alternative aus einem Metallmaterial bestehen, mit welchem die Gate-Elektroden 10 gebildet werden können.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen für eine Brückenschaltung 20 mit vier Transistoren T1, ..., T4, denen jeweils ein piezoresistives Element 8 sowie eine Gate- Elektrode 10 zugeordnet ist

Über Anschlüsse 21 , 22 der Brückenschaltung 20 liegt eine Betriebsspannung V« an. An Ausgängen 23, 24 liegt ein Ausgangssignal mit positivem und negativem Signal symmetrisch an. Das über die Ausgänge 23, 24 abgegriffene Ausgangssignal wird über eine Signalrückkopplung 25 auf die Gate-Elektroden 10 der Transistoren T1, ..., T4 rückgekoppelt Hierdurch wird die im Fall einer Druckbeaufschlagung entstehende Brückenverstimmung verstärkt. Bei der Ausführungsform der Brückenschaltung 20 in Fig. 2 ist die Signalrückkopplung 25 auf dem Drucksensorchip selbst vorgesehen. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Signalrückkopplung frei von (zusätzlichen oder weiteren) Transistoren gebildet, wahlweise auch frei von anderen (aktiven) Schaltungselementen, so dass die Brückenschaltung 20 ausschließlich die vier T1 , ..., T4 aufweist.

Alternativ dazu zeigt Fig. 3 eine Ausführungsform, bei der die Signalrückkopplung 25 mit einer externen Signalvorverarbeitung 26 ausgebildet ist, die entweder zusätzlich auf einem Drucksensorchip angeordnet oder außerhalb des Drucksensorchips mit einem weiteren Chip gebildet ist. Bei der Ausführung in Fig. 3 sind die Gate-Elektroden 10 paarweise an Ausgänge der externen Signalvorverarbeitung 26 gekoppelt.

Bei der Ausgestaltung in Fig. 4 koppeln die Gate-Elektroden 10 der Transistoren T1 T4 einzeln an die externe Signalvorverarbeitung 26 mit weiteren Schaltungselementen 26a, 26b. Hierdurch ist es ermöglicht, Arbeitspunktspannungen für die Transistoren T1 , ..., T4 individuell einzustellen in Verbindung mit der verstärkenden Signalrückkopplung.

Nachfolgend werden weitere Aspekte erläutert In der Grundanordnung nach Fig. 2 können die positiven elektrischen Signale des Ausgangs (+ AUS) der Brückenschaltung 20 auf dem Chip an die Gate-Elektroden 10 der Transistoren T1, T3 im rechten und linken Zweig der Brückenschaltung 20 gelegt werden, und die negativen Signale (- AUS) werden an die Gate-Elektroden 10 der anderen verbleibenden Transistoren T2, T4 angeschlossen. Damit wird erreicht, dass die durch Piezoresitivität generierten anfänglichen Ausgangssignale (Brückenverstimmung) verstärkt werden. In der Folge entsteht systematisch ein höherer Offset der gewonnenen Ausgangssignale der Brückenschaltung 20 bei einem vergleichbaren mechanischen Eingangssignal und vergleichbarer Membrandicke. Die Brückensignale können gemäß Fig. 3 alternativ zunächst an die externe Signalvorverarbeitung 26 mit einem externen Signalprozessor oder analogen Automaten übergeben werden, der eine Signalvorverarbeitung und mögliche Korrekturen bezüglich Linearität, Kennlinien und / oder Temperatur vornimmt und dessen Ausgangssignale dann an die auf dem Chip befindlichen Gate-Elektroden 10 über den Piezostrukturen mit den piezoresistiven Ele- menten 8 geschaltet werden. Auch in diesem Fall kann eine weitere Signalverstärkung auf dem Drucksensorchip und damit eine deutlich höhere Empfindlichkeit des Sensorchips erreicht werden.

Die Größe der möglichen Signalverstärkung hängt vom Dotierungsniveau der piezoresistiven Elemente 8 sowie der Dicke der als Gate-Isolator fungierenden elektrisch isolierenden Schicht 9 zwischen der leitfähigen Schicht der Gate-Elektrode 10 und dem Halbleitersubstrat 1 ab. Auch die Übertragungsfunktion einer internen oder externen angeordneten Signalverarbeitungsschaltung 26 beeinflußt die mögliche Gesamtempfindlichkeit eines solchen Systems.

Werden die Gate-Elektroden 10 in einer Schicht aus Polysilizium hergestellt, ist den Gateelektroden jeweils ein einzelner Bereich zugeordnet, der getrennt von den anderen Bereichen der anderen Gate-Elektroden hergestellt ist. Es sind so wenigstens vier einzelne Strukturen (Transistoren) direkt auf dem Chip einzeln oder als Pärchen an die entsprechenden Ausgänge der Brückenschaltung 20 kontaktiert.

Die Transistoren T1, T2, T3 oder T4 können als MOS-Struktur (Metall-Oxid) ausgeführt sein. Typischerweise sind zwei Signaleingänge vorgesehen. Der erste Signaleingang mit Einfluss auf den Widerstand des elektrisch dotierten Kanals 6 ist die Piezosensitivität. Hier wird die Leitfähigkeit (Widerstand) des elektrisch dotierten Kanals 6, zum Beispiel des MOS-Kanals, über eine mechanische Vorspannung moduliert. Der zweite Signaleingang ist die jeweilige Gate-Elektrode 10 der Struktur, das mit einer elektrischen Ansteuerung ebenfalls die Leitfähigkeit des Kanalwiderstandes verändern kann. Eine anfängliche Modulation Ober den piezoresistiven Eingang wird also zunächst ein symmetrisches Ausgangssignal an +AUS und -AUS generieren, das dann an die Gate-Elektroden 10 zurückgekoppelt wird, was eine Verstärkung im Ausgangssignal an MUS und -AUS bewirtet. Wie groß diese zusätzliche Verstärkung der Ausgangssignale an +AUS und -AUS ist, hängt von der genauen Wahl der Kanaldotierung im elektrisch dotierten Kanal 6, deren Tiefe im Kristall und der Konzentration sowie auch der Dicke und Art des Gate- Isolators ab, über die die Gate-Elektrode 10 vom elektrisch dotierten Kanal 6 isoliert ist.

Eine externe Signalverarbeitung kann vorgesehen sein, um zum Beispiel Filterfunktionen auszuführen und / oder Nichtlinearitäten in den Kennlinien beispielsweise bezüglich der Temperatur oder anderer Einflüsse der Gesamtkonstruktion zu kompensieren. Außerdem kann noch das an sich bekannte Phänomen des sogenannten Jevel shifting" auftreten. Die oberen beiden Transistoren T1 , T2 der Brückenschaltung 20 erhalten in der Regel nicht die gleiche DC Arbeitspunktspannung am Gate wie die unteren beiden Transistoren T3, T4, da sich deren Source / Drain Potentiale deutlich unterscheiden. Deshalb kann für alle vier Transistoren T1, ..., T4 ein extra Anschluss der jeweiligen Gate-Elektrode 10 vorgesehen sein. Die externe Signalvorverarbeitung 26 liefert entweder für alle vier Transistoren T1, ..., T4 gleich das im DC-Arbeitspunkt passende Ausgangssignal, oder die zwei dargestellten Ausgangssignale werden jeweils noch über eine Schaltung zum Verschieben des Arbeits- punktpegels 26a, 26b so verändert, dass die vier gewünschten unterschiedlichen Signale generiert werden wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Da oft beim Entwurf eines Chips noch nicht präzise der Abstand zwischen dem Anfang der Druckmembran 4 und dem elektrisch dotierten Kanal 6, mit dem das piezoresistive Element 8 gebildet ist, festgelegt wird, kann ein hier einzeln als Transistor dargestelltes Element auch aus einer Serienschaltung von zwei oder mehr Kanalgebieten bestehen. Diese haben dann in der Regel unterschiedliche Abstände vom äußeren Anfang des [Bereichs der Druckmembran 4, so dass wenigstens einer dieser Bereiche das maximale Piezosignal mit einer dann optimalen Brückenverstimmung erhält. Die anderen Kanalgebiete liegen dann alle in Serie dazu. Und sie können natürlich auch alle einzeln als Transistor ausgeführt worden sein mit einer gemeinsamen oder jeweils getrennten Gate-Elektrode. Diese in Serie geschalteten Transistoren eines Brückenzweiges erhalten dann alle das gleiche Gate-Potential.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.