DD252885B5

DD252885B5 - Messfuehler mit piezoresistiven Widerstaenden

Info

Publication number: DD252885B5
Application number: DD29465386A
Authority: DD
Inventors: Dietrich Dr-Ing Schubert; Wolfgang Dr-Ing Jenschke; Thomas Dipl-Phys Uhlig
Original assignee: Zentr Mikroelekt Dresden Gmbh; Zentralinstitut Fuer Kernforsc
Priority date: 1986-09-25
Filing date: 1986-09-25
Publication date: 1994-07-07
Also published as: DD252885A1

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßfühler mit piezoresistiven Widerstanden fur den Einsatz in einem erweiterten Temperaturbereich zu schaffen, fur den eine hohe Empfindlichkeit bei sehr kleiner Bruckengrundverstimmung und guter Bruckensymmetne bei Druckeinwirkung durch eine entsprechende Geometrie und Anordnung der Widerstände auf einer Rechteckmembran erzielt wird

Erfmdungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß auf einer aus einem Siliziumsubstrat herausgearbeiteten Rechteckmembrane als Verformungskorper durch eine Isolatorschicht vom Substrat getrennt, vier piezoresistive Widerstände aus polykristallinem Silizium in unmittelbarer Nahe der Symmetrieachse, die die Rechteckmembrane parallel zur kürzeren Kante teilt, paarweise wechselseitig angeordnet sind Die Widerstände sind in ihren Abmessungen identisch und bestehen jeweils aus zwei in Richtung dieser Symmetrieachse parallel liegenden längeren Widerstandsgebieten und einem diese beiden verbindenden kürzeren Widerstandsgebiet Dabei liegen diese zwei U-formigen Widerstände im Bereich positiver Dehnung bei Druckeinwirkung, das heißt im mittleren Bereich der Rechteckmembrane und die zwei anderen Widerstände im Bereich negativer Dehnung, das heißt im äußeren Bereich der Rechteckmembrane Die kürzeren Widerstandsgebiete befinden sich so im Bereich des Überganges von positiver zu negativer Dehnung der Rechteckmembrane Eine solche Anordnung ist zur Erzielung eines hohen Ubertragungsfaktors vorteilhaft, weil die Dehnung in Richtung der längeren Widerstandsgebiete maximal wird Der Einfluß der — den Ubertragungsfaktor reduzierenden — parallel zur längeren Kante der Rechteckmembrane wirkenden Quer-Dehnung auf die längeren Widerstandsgebiete ist damit bei hinreichend großem Membranlange/Membranbreite-Verhaltnis sehr klein

Durch Widerstände gleicher Geometrie und identischer Abmessungen kann eine minimale Bruckengrundverstimmung gewahrleistet werden

Eine Kombination des Gesamtwiderstandes aus zwei in Richtung der Symmetrieachse parallel liegenden längeren Widerstandsgebieten und einem diese verbindenden kürzeren Widerstandsgebiet ist insofern wesentlich, als damit vorteilhafterweiseein genügend großer Absolutwert des Widerstandes bei gegebenem geringem Flachenwiderstand und hinreichend große Querabmessungen des Widerstandes zur Verringerung des Einflusses der technologisch bedingten Toleranzen erreicht werden

Wesentliche Fehlerkenngroßen des Meßfühlers, wie der Bruckenlineantatsfehler und der Temperaturkoeffizient des Ubertragungsfaktors sind durch Gewährleistung der Bruckensymmetne bei Druckeinwirkung reduziert Eine vollständige Bruckensymmetne ist mit der erfmdungsgemaßen Anordnung dadurch gegeben, daß die Absolutwerte der Widerstände ohne Druckeinwirkung gleich groß sind und die Widerstandsänderung bei Druckeinwirkung entgegengesetzt gleich groß ist Optimal ist, wenn dabei die zwei Widerstände im mittleren Teil der Rechteckmembrane einen maximalen Abstand von 0,29 x Membranebreite von der Symmetrieachse parallel zur längeren Kante der Rechteckmembrane und die zwei anderen im äußeren Bereich der Rechteckmembrane einen minimalen Abstand von 0,29 χ Membranebreite aufweisen Wegen des entgegengesetzten Vorzeichens des K_Q- zum K_L-Faktor sind zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit die kurzen Widerstandsgebiete so angeordnet, daß sie einen kleinen Absolutwert besitzen und in den beiden Bereichen geringer Dehnung der Rechteckmembrane, also in dem Bereich (0,17 bis 0,35) χ Membranebreite (Nulldurchgang), liegen, wobei die vier U-formigen Widerstände zueinander um 180° gedreht sind

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausfuhrungsbeispieles naher erläutert werden In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig 1 den erfmdungsgemaßen Meßfühler in schematischer Darstellung Fig 2 eine Schnittdarstellung von Fig 1

In einem Siliziumsubstrat 1 ist eine Rechteckmembrane 2 mit einem Langen/Breiten-Verhaltnis von 2 und einer Dicke von 30 дт durch Atzen gebildet

Vier in den Abmessungen identische piezoresistive U-formige Widerstände 3a 3d aus polykristallinem Silizium sind getrennt durch eine Isolatorschicht 4 aus Siliziumoxid auf der erzeugten Rechteckmembrane 2 aufgebracht Sie sind in Nahe und parallel zur Symmetrieachse 5, die die Rechteckmembrane 2 parallel zur kürzeren Kante teilt, paarweise wechelseitig gruppiert Die aktiven längeren Widerstandsgebiete 3b, 1, 3c, 1 außerhalb ihrer Kontaktzonen 7 im mittleren Bereich sind im Abstand (0,047 bis 0,193) x Membranbreite und die längeren Widerstandsgebiete 3a, I, 3d, I in den äußeren Bereichen sind im Abstand (0,314 bis 0,460) x Membranbreite von der Symmetrieachse 6, die parallel zur längeren Kante der Rechteckmembrane 2 liegt, angeordnet Die Breite a Her Widerstandsgebiete betragt 0,02 χ Mem bra η breite Die aktive Lange der kürzeren zu r aktiven Lange der längeren Widerstandsgebiete steht im Verhältnis von etwa 0,07 Durch die Anordnung der kürzeren Widerstandsgebiete 3a, q 3d, q im Bereich kleiner Dehnung bleibt der Einfluß des K_Q Koeffizienten auf die Gesamtempfindlichkeit unter 1 % Alle Widerstände 3a 3d sind über Leiterbahnen 8 zu einer Vollbruckenschaltung verknüpft

Claims

Patentanspruch:

Meßfühler mit piezoresistiven Widerständen aus polykristallinem Silizium, die auf einer aus einem Siliziumsubstrat herausgearbeiteten Rechteckmembrane als Verformungskorper getrennt durch eine Isolatorschicht in Vollbruckenanordnung aufgebracht sind und so bei Druckeinwirkung ein elektrisches Ausgangssignal abgeben, gekennzeichnet dadurch, daß in Nahe der Symmetrieachse (5), die die Rechteckmembrane (2) parallel zur kürzeren Kante teilt, vier in ihren Abmessungen identische U-formige Widerstände (3a ..3d) mit jeweils zwei in Richtung der Symmetrieachse (5) parallel liegenden längeren Widerstandsgebieten (3 a, 1 ...3d, l)und einem diese verbindenden kürzeren Widerstandsgebiet (3 a, q... 3d, q) paarweise wechselseitig angeordnet sind, wobei zwei Widerstände (3b; 3c) im mittleren und die anderen zwei Widerstände (3a; 3d) im äußeren Bereich der Rechteckmembrane (2) liegen, so daß sich jeweils zwei kürzere Widerstandsgebiete (3a, q/3 b, q beziehungsweise 3c, q/3d, q) parallel zueinander im Bereich des Überganges von positiver zu negativer Dehnung befinden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler mit piezoresistiven Widerstanden aus polykristallinen! Silizium zur elektrischen Messung des Druckes

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind Druckwandler bekannt, die in einem Siliziumverformungskorper monolithisch integrierte piezoresistive Widerstände aufweisen Der Leitungstyp dieser Widerstände ist dem Leitungstyp des Substrates oder den Widerstand umgebenden Gebieten des Substrates entgegengesetzt, so daß eine Isolierung der Widerstände über pnp- bzw npn-Ubergange erfolgt Als Siliziumverformungskorper werden Ringstrukturen, Kreis- und Rechteckmembranen genutzt Um einen hohen Ubertragungsfaktor zu erreichen, erfolgt die Auswertung des Meßsignales über Bruckenschaltungen, vorzugsweise mit vier Widerstanden, die bei Druckeinwirkung eine paarweise entgegengesetzte Widerstandsänderung aufweisen Fur die in der technischen Anwendung bedeutsamen Rechteckmembranen werden vorzugsweise Widerstände mit p-Leistungstypauf eine Sihziumscheibe vom n-Leitungstyp, die eine (100)-Ebene als Oberflache aufweist, in [110]-Kristallnchtung angeordnet Fur diese Konfiguration sind die Ubertragungsfaktoren fur eine Ausrichtung der Widerstände längs zur einwirkenden Dehnung (K_L-Faktorfur Langskopplung) und quer zur einwirkenden Dehnung (K_Q-Faktor fur Querkopplung) in ihrem Betrag in erster Näherung gleich, besitzen jedoch entgegengesetztes Vorzeichen Entsprechende bekannte Anordnungen (DD-WP 137666) besitzen zur Verbesserung der Bruckensymmetrie und zur Reduzierung der Fehlergroßen vier geometrisch identische Widerstände im Bereich positiver Dehnung, das heißt in der Mitte der Rechteckmembrane oder im Bereich negativer Dehnung am Rand der Rechteckmembrane

Druckwandler mit monolithisch integrierten piezoresistiven Widerstanden besitzen jedoch infolge der temperaturabhangigen und instabilen pnp- bzw npn-Ubergange den Nachteil, daß sie nur im Temperaturbereich bis etwa 150°C betneben werden konnen und Instabilitäten aufweisen

Demzufolge sind bei weiteren bekannten Drucksensoren, die stabil im Temperaturbereich über 150⁰C arbeiten, die piezoresistiven Widerstände durch Isolatorschichten vom Substrat und untereinander isoliert Als Verformungskorper wird entweder die Isolatorschicht (DE-OS 3041 756) oder eine Siliziummembran unter der Isolatorschicht (EP 129736) genutzt Die Widerstände werden im allgemeinen aus der Sihziumschicht herausgearbeitet, die durch CVD-Verfahren auf dem Isolator abgeschieden wurde Sie besitzen damit amorphe oder polyknstalline Struktur Die Korngroße dieser Schicht bestimmt neben der Ladungstragerkonzentration maßgeblich den Ubertragungsfaktor (K-Faktor) und den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes Diese Parameter werden deshalb so gewählt, daß ein möglichst großer K-Faktor bei kleinem Temperaturkoeffizienten entsteht Fur polykristallines Silizium ist der K_L-Faktor wesentlich großer als der K_Q-Faktor, so daß eine vorteilhafte Anordnung vier geometrisch gleich großer Widerstände im Bereich positiver oder negativer Dehnung nicht gegeben ist

Des weiteren ist eine Anordnung bekannt (vgl Tagungsunterlagen SENSOR'85, Karlsruhe, Mai 1985, „Silizium-Drucksensorfur hohe Betriebstemperaturen"), bei der sich über die gesamte Breite einer Rechteckmembran eine geschlossene Vollbrucke erstreckt, mit zwei längeren Widerstanden in Membranmitte und zwei-jeweils aus zwei kürzeren Abschnitten bestehenden Widerstanden am Membranerand, die direkt ohne Leiterbahnen miteinander verbunden sind Nachteilig ist bei dieser Anordnung infolge der unterschiedlichen Widerstandsgeometrie ebenfalls eine erhöhte Bruckengrundverstimmung

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die kostengünstige Herstellung eines im erweiterten Temperaturbereich einsetzbaren Meßfühlers mit hoher Empfindlichkeit bei verringerten Fehlerkenngroßen