DE10127230A1

DE10127230A1 - Pressure sensing device

Info

Publication number: DE10127230A1
Application number: DE2001127230
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Tanaka; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2002-06-13
Also published as: JP2001343300A; FR2809811B1; FR2809811A1

Abstract

Eine Druckerfassungsvorrichtung mit einer runden, aus Metall hergestellten Membran, um den Druck aufzunehmen, und einem flachen und rechteckigen Sensorchip, der eine (100) Flächenorientierung aufweist. Der Sensorchip ist an der Membran angebracht. Eine Richtung jeder der (110) Kristallachsen auf dem Sensorchip ist mit einem Winkel von 15 bis 37 DEG bezüglich einer Linie parallel zur Seite des Sensorchips versetzt. Dehnmeßstreifenwiderstände sind in der Richtung der (110) Kristallachsen angeordnet. Die Dehnmeßstreifenwiderstände sind symmetrisch zum Mittelpunkt des Sensorchips angeordnet und haben einen Abstand von r vom Mittelpunkt des Sensorchips. Ein Verhältnis r/D1 liegt im Bereich von 0,2 bis 0,7, wobei D1 der Durchmesser der aus Metall hergestellten Membran ist.A pressure sensing device with a round membrane made of metal to receive the pressure and a flat and rectangular sensor chip having a (100) surface orientation. The sensor chip is attached to the membrane. A direction of each of the (110) crystal axes on the sensor chip is offset at an angle of 15 to 37 ° with respect to a line parallel to the side of the sensor chip. Strain gauge resistors are arranged in the direction of the (110) crystal axes. The strain gauge resistors are arranged symmetrically to the center of the sensor chip and have a distance of r from the center of the sensor chip. A ratio r / D1 is in the range of 0.2 to 0.7, where D1 is the diameter of the membrane made of metal.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckerfassungsvorrichtung, im Besonderen auf eine Druck erfassungsvorrichtung, die aus einer Metallmembran, um den Druck aufzunehmen, und einem Halbleitersensorchip der an die Metallmembran angebracht ist, zusammengebaut ist, erfaßt den Druck basierend auf einer Verformung des Sensorchips, wenn der Druck auf die Membran beaufschlagt wird, und wird vorzugsweise an das Einspritzdruckregel system eines Dieselverbrennungsmotors für ein Kraftfahr zeug angewendet.The present invention relates to a Pressure detection device, in particular on a print Detection device made of a metal membrane in order record the pressure, and a semiconductor sensor chip is attached to the metal membrane, is assembled, detects the pressure based on a deformation of the Sensor chips when pressure is applied to the membrane is, and is preferably to the injection pressure control system of a diesel internal combustion engine for a motor vehicle stuff applied.

Die oben beschriebene Druckerfassungsvorrichtung wird vorzugsweise zum Erfassen von Fluiden unter hohem Druck angewendet. Die japanische, offengelegte Anmeldung Nr. 11-94666 legt eine Druckerfassungsvorrichtung offen, die aus einer Metallmembran zur Aufnahme des Druckes und einem Halbleitersensorchip, der an die Metallmembran angebracht ist, zusammengesetzt ist. Der Halbleiter sensorchip hat eine (100) Flächenausrichtung und eine rechtwinklige Form. Außerdem sind <110< Kristallachsen (Richtungen) senkrecht aufeinander mit einem Winkel von θ 15° bis 37° bezüglich einer geraden Linie parallel zu einer Seite des Sensorchips versetzt.The pressure detection device described above will preferably for the detection of fluids under high pressure applied. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-94666 discloses a pressure sensing device that from a metal membrane to absorb the pressure and a semiconductor sensor chip attached to the metal membrane is attached, is composed. The semiconductor sensorchip has one (100) surface orientation and one rectangular shape. In addition, <110 <are crystal axes (Directions) perpendicular to each other with an angle of θ 15 ° to 37 ° with respect to a straight line parallel to offset on one side of the sensor chip.

Gemäß der Druckerfassungsvorrichtung wird, wegen der oben erwähnten Anordnung der Achsen, das Ausmaß der Temperaturnichtlinearität der Offset-Spannung (TNO) als Fehlerfaktor, der durch die thermische Spannung verursacht wird, auf ungefähr 2% FS (Skalenendwert) verringert. According to the pressure detection device, because of the above-mentioned arrangement of axes, the extent of Temperature non-linearity of the offset voltage (TNO) as Error factor caused by thermal stress caused to about 2% FS (full scale) reduced.

Die Druckerfassungsvorrichtung soll eine höhere Erfassungsgenauigkeit aufweisen. Wenn die Vorrichtung zum Beispiel in einem Einspritzdruckregelsystem eines Diesel verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug angewendet wird, ist eine Fehlerkomponente der Vorrichtung für ungefähr 60% aller Fehler im System verantwortlich. Folglich ist es wünschenswert, daß die TNO auf einen Wert von unter etwa 1% FS verringert wird, d. h. die TNO sollte auf die Hälfte der TNO der herkömmlichen, oben beschriebenen Vorrichtung verringert werden.The pressure detection device is said to be a higher one Have detection accuracy. If the device for Example in an injection pressure control system of a diesel internal combustion engine is used for a motor vehicle, is an error component of the device for about 60% of all errors in the system responsible. Hence is it is desirable that the TNO be below about 1% FS is reduced, d. H. the TNO should be on the Half of the TNO's conventional, described above Device can be reduced.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nachfolgend beschriebene Probleme erkannt, um die oben erwähnten Anforderung zu erhalten. Die Erfinder simulierten die Verteilung der Fehler, die durch die thermische Spannung im Sensorchip der Vorrichtung verursacht wurden, durch die Verwendung von Finite Elemente Methoden (FEM). Ein Ergebnis der Simulation wird in Fig. 6 gezeigt.The inventors of the present invention have recognized problems described below to meet the above-mentioned requirement. The inventors simulated the distribution of the errors caused by the thermal stress in the sensor chip of the device using finite element methods (FEM). A result of the simulation is shown in FIG. 6.

Ein Sensorchip 30 hat eine (100) Flächenorientierung. Jede der Meßwiderstände 51 bis 54 wird entlang der <110< Kristallachse senkrecht aufeinander auf der (100) Ebene angeordnet. Die Meßwiderstände 51 bis 54 sind symethrisch zum Mittelpunkt K des Chips 30 angeordnet, d. h. einem Mittelpunkt der Membran 10, und sie sind vom Punkt K mit einem Abstand r angeordnet. Genauer gesagt sind die Meßwiderstände 51 und 54 symethrisch zum Mittelpunktes K angeordnet und voneinander in einem Abstand von 2r angeordnet, und die Meßwiderstände 52 und 53 sind symethrisch zum Mittelpunkt K angeordnet und voneinander mit einem Abstand von 2r angeordnet.A sensor chip 30 has a (100) surface orientation. Each of the measuring resistors 51 to 54 is arranged along the <110 <crystal axis perpendicular to one another on the (100) plane. The measuring resistors 51 to 54 are arranged symmetrically to the center K of the chip 30 , ie a center of the membrane 10 , and they are arranged at a distance r from the point K. More specifically, the measuring resistors 51 and 54 are arranged symmetrically to the center K and spaced from each other by 2r, and the measuring resistors 52 and 53 are arranged symmetrically to the center K and spaced from each other by 2r.

Fig. 6 zeigt ein Simulationsergebnis, wenn der Winkel θ auf 31° gesetzt wird. Die Verteilung eines Fehlers D_sN, der durch die thermische Spannung verursacht wird, tritt im Sensorchip 30, wie in Fig. 6 gezeigt, auf. Wenn z. B. die Vorrichtung einen Druck von 100 MPa als maximalen Wert erfaßt, entspricht ein Bereich des Fehlers D_sN innerhalb von ± 2 MPa einem Bereich der TNO innerhalb von 2% FS. Folglich kann die Anordnung der Meßwiderstände 51 bis 54, wie in Fig. 6 gezeigt, eine TNO innerhalb von 2% FS erreichen, was aber über 1% FS hinausgeht. Fig. 6 shows a simulation result when the angle θ is set to 31 °. The distribution of an error D _s N caused by the thermal stress occurs in the sensor chip 30 as shown in FIG. 6. If e.g. B. the device detects a pressure of 100 MPa as the maximum value, a range of the error D _s N within ± 2 MPa corresponds to a range of the TNO within 2% FS. Consequently, the arrangement of the measuring resistors 51 to 54 , as shown in FIG. 6, can achieve a TNO within 2% FS, but this goes beyond 1% FS.

Um die TNO z. B. auf 1% FS zu verringern, sollten die Meßwiderstände 51 bis 54, wie aus Fig. 6 ersichtlich, an einem Ort näher zum Punkt K angeordnet werden.To the TNO z. B. to reduce to 1% FS, the measuring resistors 51 to 54 , as shown in FIG. 6, should be arranged closer to point K at a location.

Aber wenn die Meßwiderstände 51 bis 54 an einem Ort näher zum Punkt K angeordnet werden, fällt die Empfind lichkeit der Meßwiderstände ab. Dadurch begründet, daß die Empfindlichkeit von der Differenz zwischen den Spannungen abhängt, die in den <110< Kristallachsen erzeugt werden. Folglich verschlechtert sich das Signal- Rausch Verhältnis (S/N) der Vorrichtung, wodurch es schwierig ist, den Druck genau zu erfassen.But if the measuring resistors 51 to 54 are arranged closer to the point K, the sensitivity of the measuring resistors drops. This is because the sensitivity depends on the difference between the voltages generated in the <110 <crystal axes. As a result, the device's signal-to-noise ratio (S / N) deteriorates, making it difficult to accurately grasp the pressure.

Die vorliegende Erfindung ersinnt die obigen Probleme zu lösen, und hat die Aufgabe eine Druckerfassungs vorrichtung mit niedriger TNO bereitzustellen.The present invention devises the above problems to solve, and has the task of a pressure detection provide device with low TNO.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung hat die Druckerfassungsvorrichtung eine metallische Membran und einen Sensorchip, der an die metallische Membran angebracht ist, der wiederum Meßwiderstände aufweist. Wenn der Durchmesser der Membran mit D1 bezeichnet wird, der Abstand zwischen jedem Meßwiderstand und dem Mittelpunkt des Sensorchips r ist, ist das Verhältnis r/D1 in einem Bereich von 0,2 bis 07.According to a first aspect of the invention Pressure sensing device a metallic membrane and a sensor chip attached to the metallic membrane is attached, which in turn has measuring resistors. If the diameter of the membrane is denoted by D1, the distance between each measuring resistor and the The center of the sensor chip r is the ratio r / D1 in a range from 0.2 to 07.

Es ist wünschenswert, daß das Verhältnis r/D1 in einem Bereich von 0,25 bis 0,45 liegt. It is desirable that the ratio r / D1 in ranges from 0.25 to 0.45.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist, wenn die Länge einer Seite des Sensorchips mit D2 bezeichnet wird, das Verhältnis r/D2 in einem Bereich von 0,17 bis 0,5 liegt.According to another aspect of the present Invention, is when the length of one side of the Sensor chips denoted by D2, the ratio r / D2 is in a range from 0.17 to 0.5.

Es ist wünschenswert, daß das Verhältnis r/D2 in einem Bereich von 0,2 bis 0,28 liegt.It is desirable that the ratio r / D2 in is in the range of 0.2 to 0.28.

Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden einfacher ersichtlich durch ein besseres Verständnis der vorteilhaften Ausführungsformen, die weiter unten mit Bezug auf die folgende Zeichnung be schrieben werden.Other tasks and features of the present Invention can be seen more easily by a better one Understand the advantageous embodiments that below with reference to the following drawing be written.

Fig. 1a ist eine Draufsicht auf einen Drucksensor der vorliegenden Erfindung; Figure 1a is a top view of a pressure sensor of the present invention;

Fig. 1b ist eine Querschnittsansicht entlang des Drucksensors, entlang der Y-Achse der Fig. 1a; Fig. 1b is a cross-sectional view along the pressure sensor, along the Y axis of Fig. 1a;

Fig. 2 ist ein schematischer Schaltplan des Druck sensors; Fig. 2 is a schematic circuit diagram of the pressure sensor;

Fig. 3a bis 3c sind schematische Querschnittsansich ten des Sensorchips, welche die Herstellverfahrens schritte der vorliegenden Erfindung zeigen; Figs. 3a to 3c are schematic Querschnittsansich th of the sensor chip, which steps the preparation process to the present invention;

Fig. 4 ist ein Graph, der die TNO hinsichtlich r/D1 zeigt; Fig. 4 is a graph showing the TNO with respect to r / D1;

Fig. 5 ist ein Graph, der die TNO hinsichtlich r/D2 zeigt; und Fig. 5 is a graph showing the TNO with respect to r / D2; and

Fig. 6 ist ein Simulationsergebnis, das die Verteil ung des Fehlers zeigt, der durch die thermische Spannung im Sensorchip verursacht wird. Fig. 6 is a simulation result showing the distribution of the error caused by the thermal stress in the sensor chip.

Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in welcher die gleichen oder ähnliche Bau teile mit dem selben oder einem ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet werden.Specific embodiments of the invention will below with reference to the attached drawing described in which the same or similar construction parts with the same or a similar reference number be designated.

Bezugnehmend auf Fig. 1a und Fig. 1b weist eine Druckerfassungsvorrichtung 1 einen metallischen Schaft 20 auf, der eine kreisförmige Membran 10 mit dem Durchmesser D1 aufweist, einen Sensorchip 30, der auf die Fläche 11 der Membran 10 über eine Fläche 31 des Chips angebracht ist, die aus einem Einkristallhalbleiter zusammengesetzt ist, und weist eine flache und quadratische Form auf, in welcher die Länge einer Seite D2 ist. Das Druckmedium (Gas, Flüssigkeit oder Ähnliches) wird entsprechend dem Benzineinspritzdruck eines Verbrennungsmotors für ein Fahrzeug auf die Fläche 12 der metallischen Membran 10 eingeführt. Die Vorrichtung 1 erfaßt den Druck basierend auf die Verformung der Membran 10 und des Sensorchips 30.Referring to Fig. 1a and Fig. 1b 1 has a pressure detection device comprises a metallic shaft 20 which has a circular membrane 10 with a diameter D1, a sensor chip 30 which is mounted on the surface 11 of the membrane 10 via a surface 31 of the chip , which is composed of a single crystal semiconductor, and has a flat and square shape in which the length of one side is D2. The pressure medium (gas, liquid or the like) is introduced onto the surface 12 of the metallic membrane 10 in accordance with the gasoline injection pressure of an internal combustion engine for a vehicle. The device 1 detects the pressure based on the deformation of the membrane 10 and the sensor chip 30 .

Der metallische Schaft 20 hat eine zylindrische Form und darin einen hohlen Abschnitt, der durch spannende Bearbeitung oder Ähnliches ausgebildet wird. Außerdem wird der Metallschaft 20 aus Covar oder Ähnlichem hergestellt, welches aus einer Fi-Ni-Co-System Legierung zusammengesetzt ist, daß einen Wärmeausdehnungskoeffi zient gleich dem von Glas aufweist. Die Membran 10 wird an einem Ende des metallischen Schafts 20 ausgebildet, und ein Öffnungsabschnitt (nicht dargestellt) wird auf der anderen Seite ausgebildet. Der Druck wird von dem Öffnungsabschnitt in einer Richtung eingeführt, wie durch den Pfeil in Fig. 1B dargestellt, und die Fläche 12 der Membran 10 nimmt den Druck auf.The metallic shaft 20 has a cylindrical shape and a hollow portion therein, which is formed by machining or the like. In addition, the metal shaft 20 is made of Covar or the like, which is composed of a Fi-Ni-Co system alloy that has a coefficient of thermal expansion equal to that of glass. The membrane 10 is formed on one end of the metallic shaft 20 , and an opening portion (not shown) is formed on the other side. The pressure is introduced from the opening portion in one direction, as shown by the arrow in FIG. 1B, and the surface 12 of the membrane 10 receives the pressure.

Die Abmessung des metallischen Schafts 20 werden nachfolgend beschrieben. Der Außendurchmesser des Zylinders des metallischen Schafts wird auf 6,5 mm gesetzt, und der Innendurchmesser des Zylinders wird auf 2,5 mm gesetzt. Die Dicke der Membran 10 wird auf 0,65 mm gesetzt, um 20 MPa zu messen, und 1,40 mm um 200 MPa zu messen.The dimensions of the metallic shaft 20 are described below. The outer diameter of the cylinder of the metallic shaft is set to 6.5 mm, and the inner diameter of the cylinder is set to 2.5 mm. The thickness of the membrane 10 is set to 0.65 mm to measure 20 MPa and 1.40 mm to measure 200 MPa.

Der Sensorchip 30 hat eine (100) Flächenorientierung und ist aus einem Einkristallsiliziumsubstrat gebildet, das eine flache Form und eine einheitliche Stärke aufweist. Die Fläche 31 des Chips 30 ist auf der Fläche 11 der Membran 10 befestigt, trotz einer Glasschicht 40, die aus einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt oder Ähnlichem gebildet ist. Im Folgenden werden die Abmessungen des Sensortyps 30 beschrieben. Der Typ 30 hat eine quadratische Form von 3,56 mm × 3,56 mm, und eine Stärke von 0,2 mm. Im übrigen is die Stärke der Glasschicht 40 0,06 mm.The sensor chip 30 has a (100) surface orientation and is formed from a single crystal silicon substrate that has a flat shape and a uniform thickness. The surface 31 of the chip 30 is fixed on the surface 11 of the membrane 10 , despite a glass layer 40 which is formed from a glass with a low melting point or the like. The dimensions of the sensor type 30 are described below. The Type 30 has a square shape of 3.56 mm x 3.56 mm and a thickness of 0.2 mm. Otherwise, the thickness of the glass layer 40 is 0.06 mm.

Der Sensorchip 30 weist <110< Kristallachsen auf, die senkrecht aufeinander stehen, und im wesentlichen parallel mit einer ihrer Flächen sind. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, ist der Chip 30 so angeordnet, daß jede der Achsen einen Winkel θ von 15° bis 37° mit einer gestrichelten Linie A oder B einschliesst, die parallel zu einer Seite des Sensorchips 30 verläuft. Mit anderen Worten wird jeder der Achsen mit einem Winkel θ bezüglich der gestrichelten Linie A oder B gedreht. Hier wird die Richtung von einer der <110< Kristallachsen, die den Winkel θ mit der gestrichelten Linie A bilden, als X- Richtung bezeichnet, und eine Richtung der anderen Achsen, die den Winkel θ mit der gestrichelten Linie B ausbilden, werden als Y-Richtung bezeichnet. Im übrigen verlaufen die <110< Kristallachsen durch den Mittelpunkt K des Sensorchips 30.The sensor chip 30 has <110 <crystal axes which are perpendicular to one another and are essentially parallel to one of their surfaces. As shown in FIG. 1, the chip 30 is arranged so that each of the axes includes an angle θ of 15 ° to 37 ° with a dashed line A or B that is parallel to one side of the sensor chip 30 . In other words, each of the axes is rotated at an angle θ with respect to the dashed line A or B. Here, the direction of one of the <110 <crystal axes that form the angle θ with the broken line A is referred to as the X direction, and a direction of the other axes that form the angle θ with the dashed line B is called the Y Direction. Otherwise, the <110 <crystal axes run through the center K of the sensor chip 30 .

Die Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54 sind auf einer anderen Fläche 32 des Sensorchips 30 als vier piezoresistive Elemente ausgebildet, und jede der Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54 weist eine rechteckige Form auf. Jeweils zwei der Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54 sind in X- und Y- Richtung angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt. Jede der Dehnmeßstreifenwiderstände ist mit dem Abstand r vom Mittelpunkt K des Sensorchips 30 angeordnet, und symetrisch bezüglich des Mittelpunkts K angeordnet.The strain gauge resistors 51 to 54 are formed on another surface 32 of the sensor chip 30 as four piezoresistive elements, and each of the strain gauge resistors 51 to 54 has a rectangular shape. Two of the strain gauge resistors 51 to 54 are arranged in the X and Y directions, as shown in FIG. 1. Each of the strain gauge resistors is arranged at a distance r from the center K of the sensor chip 30 , and is arranged symmetrically with respect to the center K.

Ein Paar der Dehnmeßstreifenwiderstände 51 und 54 ist derart angeordnet, daß deren lange Seite parallel mit der X-Richtung ausgerichtet ist, und ein anderes Paar von Dehnmeßstreifenwiderständen 51 und 54 wird derart ausgerichtet, daß deren langen Seite parallel mit der Y- Richtung ausgerichtet ist.One pair of strain gauge resistors 51 and 54 is arranged such that its long side is aligned in parallel with the X direction, and another pair of strain gauge resistors 51 and 54 is aligned such that its long side is aligned in parallel with the Y direction.

Ferner wird in dieser Ausführungsform ein Verhältnis zwischen dem Durchmesser D1 der Membran 10 und dem Abstand r, das als r/D1 bezeichnet wird, auf einen Wert im Bereich von 0,2 bis 0,7 gesetzt (vorzugsweise 0,25 bis 0,4). Außerdem wird ein Verhältnis zwischen der Länge D2 der Seite des Sensorchips 30 und dem Abstand r durch r/D2 ausgedrückt, auf einen Wert im Bereich von 0,17 bis 0,5 gesetzt (vorzugsweise 0,2 bis 0,28). Der Grund warum die Verhältnisse wie oben beschrieben gesetzt werden, wird weiter unten erläutert.Furthermore, in this embodiment, a ratio between the diameter D1 of the membrane 10 and the distance r, which is referred to as r / D1, is set to a value in the range of 0.2 to 0.7 (preferably 0.25 to 0.4 ). In addition, a ratio between the length D2 of the side of the sensor chip 30 and the distance r expressed by r / D2 is set to a value in the range of 0.17 to 0.5 (preferably 0.2 to 0.28). The reason why the ratios are set as described above is explained below.

Die Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54 werden miteinander, wie in Fig. 2 gezeigt, verbunden, um eine Wheatston'sche Brückenschaltung zu bilden. Außerdem werden Verdrahtungen und Kontaktflächen auf dem Sensor chip 30 ausgebildet, um die Wheatston'sche Brückenschal tung mit einer externen Schaltung zu verbinden. Ferner wird eine Passivierungsschicht auf dem Sensorchip 30 ausgebildet. Diese sind nicht in den Fig. 1A und 1B aber in den Fig. 3A bis 3C dargestellt, welche die Herstellungsverfahrensschritte des Sensorchips 30 zeigen.The strain gauge resistors 51 to 54 are connected together as shown in Fig. 2 to form a Wheatston bridge circuit. In addition, wiring and contact areas are formed on the sensor chip 30 in order to connect the Wheatston bridge circuit to an external circuit. Furthermore, a passivation layer is formed on the sensor chip 30 . These are not shown in FIGS. 1A and 1B but in FIGS. 3A to 3C, which show the manufacturing method steps of the sensor chip 30 .

Als nächstes werden die wichtigsten Herstellungs verfahrensschritte mit Bezug auf die Fig. 3A bis 3C beschrieben. Diese Figuren zeigen Querschnittsansichten entsprechend der Querschnittsansicht von Fig. 1B. Nachdem eine Struktur auf einem n-Typ leitenden Wafer 60 durch Fotolithographie ausgebildet ist, wie in Fig. 3A gezeigt, werden, wie in Fig. 3B gezeigt, P+ Bereiche 61 auf dem Wafer 60 durch Diffusion von Bor oder Ähnlichem in den Wafer 60 ausgebildet. Die P+ Bereiche 61 entsprechen den Dehnmeßstreifenwiderständen 52 und 53 als piezoresistive Elemente. Im übrigen zeigen Fig. 3A bis 3C nur einen Sensorchip des Wafers 60 aber eigentlich werden eine Vielzahl von Sensorchips auf dem Wafer 60 ausgebildet.Next, the main manufacturing process steps will be described with reference to Figs. 3A to 3C. These figures show cross-sectional views corresponding to the cross-sectional view of FIG. 1B. After a structure is formed on an n-type conductive wafer 60 by photolithography as shown in FIG. 3A, as shown in FIG. 3B, P + regions 61 are formed on the wafer 60 by diffusion of boron or the like into the wafer 60 , The P + regions 61 correspond to the strain gauge resistors 52 and 53 as piezoresistive elements. Incidentally, FIGS. 3A-3C only a sensor chip of the wafer 60 but actually a plurality of sensor chips on the wafer 60 are formed.

Im übrigen wird der Wafer 60 mit einem vorbestimmten Winkel bezüglich der Abdeckung zur Ausbildung der Anreißlinien gedreht, während der Wafer optisch erfaßt wird, um den Winkel θ von 15° bis 37° zwischen den <110< Kristallachsen und der gestrichelten Linie A oder B parallel mit der Seite des Sensorchips 30 auszubilden, wenn Anreißlinien entsprechend der Seiten des Sensorchips 30 auf dem Wafer 60 in einem Fotolithograpieverfahrens schritt ausgebildet werden.Incidentally, the wafer 60 is rotated at a predetermined angle with respect to the cover for forming the scribing lines while the wafer is optically detected by the angle θ of 15 ° to 37 ° between the <110 <crystal axes and the broken line A or B in parallel to form with the side of the sensor chip 30 when marking lines corresponding to the sides of the sensor chip 30 are formed on the wafer 60 in a photolithography process.

Dann wird nacheinander eine Oxidschicht 30, Verdrahtungsbauteile und Kontaktflächen 62, und eine Passivierungsschicht 64 ausgebildet. Die Passivierungs schicht 64, die auf den Kontaktflächen 62 ausgebildet ist, wird entfernt. Danach wird der Sensorchip 30 aus dem Wafer 60 herausgeschnitten beim Verfahrensschritt des in Chips zerschneidens. Schließlich wird die Druckerfas sungsvorrichung 1 fertiggestellt, indem der Sensorchip 30 auf die Membran 10 mit dem Niederschmelzpunktglas befestigt wird. Wenn in dieser Vorrichtung 1 Druck in Richtung des Pfeils, wie in Fig. 1B gezeigt wird, beaufschlagt wird, verformen sich die Membran 10 und der Sensorchip 30 aufgrund des Drucks. Zu diesem Zeitpunkt verursacht die Deformierung des Sensorchips 30 Veränderungen im Widerstand der Dehnmeßstreifenwider stände 51 bis 54, unter der Bedingung, daß ein konstanter Gleichstrom V an die Eingangsanschlüsse Ia und Ib der Wheatston'schen Brückenschaltung angelegt wird, wie in Fig. 2 gezeigt. Daher wird einen Spannung Vout entspre chend dem zu erfassenden Druck von den Ausgangsan schlüssen Pa und Pb ausgegeben, so daß der Druck erfaßt ist.An oxide layer 30 , wiring components and contact areas 62 , and a passivation layer 64 are then formed in succession. The passivation layer 64 , which is formed on the contact surfaces 62 , is removed. The sensor chip 30 is then cut out of the wafer 60 in the method step of cutting into chips. Finally, the printer device 1 is completed by attaching the sensor chip 30 to the membrane 10 with the low-melting point glass. In this device 1, when pressure is applied in the direction of the arrow as shown in FIG. 1B, the membrane 10 and the sensor chip 30 deform due to the pressure. At this time, the deformation of the sensor chip 30 causes changes in the resistance of the strain gauge resistors 51 to 54 , provided that a constant direct current V is applied to the input terminals Ia and Ib of the Wheatston bridge circuit, as shown in FIG . Therefore, a voltage Vout corresponding to the pressure to be detected is output from the output terminals Pa and Pb so that the pressure is detected.

Genauer gesagt wird Spannung durch die Verformung des Sensorchips 30 wegen dem Druck verursacht. Die Spannung wird in X-Richtung und in Y-Richtung parallel zu der <110< Kristallachse erzeugt. Folglich wird ein Wert proportional zur Größe der Differenz zwischen _sxx und _syy als Spannung Vout erfaßt, wenn Spannung, die in X- Richtung erzeugt wurde, auf _sxx gesetzt wird, und Spannung, die in Y-Richtung erzeugt wurde auf _syy gesetzt wird.More specifically, stress is caused by the deformation of the sensor chip 30 due to the pressure. The voltage is generated in the X direction and in the Y direction parallel to the <110 <crystal axis. Accordingly, a value proportional to the magnitude of the difference between _s xx and _s yy is detected as voltage Vout when voltage generated in the X direction is set to _s xx and voltage generated in the Y direction is set to _s yy is set.

Als nächstes wird der Grund, warum die Verhältnisse von r/D1 und r/D2 wie oben beschrieben gesetzt werden, mit Bezug zu den Fig. 4 bis 6 beschrieben. In dieser Ausführungsform tritt auch die Verteilung eines Fehlers D _sN auf, der durch thermischen Spannung verursacht wird, d. h. eine Temperaturnichtlinearität der Offsetspannung (TNO), wie in Fig. 6 gezeigt wird. Next, the reason why the ratios of r / D1 and r / D2 are set as described above will be described with reference to FIGS. 4 to 6. In this embodiment, the distribution of an error D _s N caused by thermal stress also occurs, that is, temperature non-linearity of the offset voltage (TNO), as shown in FIG. 6.

Die TNO, die im Sensorchip 30 erzeugt wird, wird durch Finite Elemente Methoden (FEM) analysiert, wobei die Anordnung der Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54, die Form und die Abmessung des Sensorchips 30 und die Membran 10 berücksichtigt wird. Wenn die Verhältnisse von r/D1 und r/D2 wie oben beschrieben gesetzt werden, wird als Ergebnis die Größe der TNO auf die Hälfte im Vergleich zum Stand der Technik verringert, bei einem Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung (z. B. -40°C bis 140°C). Beispiele der Untersuchung der TNO werden in Fig. 4 und 5 gezeigt.The TNO that is generated in the sensor chip 30 is analyzed by finite element methods (FEM), taking into account the arrangement of the strain gauge resistors 51 to 54 , the shape and the dimension of the sensor chip 30 and the membrane 10 . As a result, if the ratios of r / D1 and r / D2 are set as described above, the size of the TNO is reduced to half in comparison with the prior art at an operating temperature range of the device (e.g. -40 ° C to 140 ° C). Examples of the TNO investigation are shown in FIGS. 4 and 5.

Eine Beziehung zwischen dem Verhältnis r/D1 und der Größe der TNO und eine Beziehung zwischen dem Verhältnis r/D2 und der Größe der TNO werden durch die FEM offengelegt, basierend auf dem Beispiel einer Membran 10, dem metallischen Stamm 20 und dem Sensorchip 30, welche die oben beschriebenen Materialien und Abmessungen aufweisen. Außerdem wird der Winkel θ auf 31° gesetzt, d. h. die Studie wurde mit der Vorrichtung geleitet, welche die in Fig. 6 gezeigte Verteilung der TNO aufweist. Hier wird die TNO durch folgende Gleichung ausgedrückt:
TNO = [{(Voffset (HT) - Voffset (RT))/FS}
-((Voffset (LT) - Voffset (RT))/FS}].100,
wobei Voffset (T) eine Nullpunktausgangsspannung bei einer Temperatur T ist, RT die Raumtemperatur, HT die höchste Temperatur innerhalb eines Schwankungsbereichs der Temperatur (in dieser Ausführungsform 140°C), LT die niedrigste Temperatur innerhalb eines Schwankungsbereichs der Temperatur und FS ein Skalenendwertausgangsspannungs bereich ist. A relationship between the ratio r / D1 and the size of the TNO and a relationship between the ratio r / D2 and the size of the TNO are disclosed by the FEM, based on the example of a membrane 10 , the metallic stem 20 and the sensor chip 30 , which have the materials and dimensions described above. In addition, the angle θ is set to 31 °, that is, the study was conducted with the device having the distribution of the TNO shown in FIG. 6. Here the TNO is expressed by the following equation:
TNO = [{(Voffset (HT) - Voffset (RT)) / FS}
- ((Voffset (LT) - Voffset (RT)) / FS}]. 100,
where Voffset (T) is a zero point output voltage at a temperature T, RT is the room temperature, HT is the highest temperature within a temperature fluctuation range (140 ° C in this embodiment), LT is the lowest temperature within a temperature fluctuation range and FS is a full scale output voltage range ,

Fig. 4 zeigt das Ergebnis, das durch die Simulation der Beziehung zwischen dem Verhältnis r/D1 und der Größe der TNO mittels FEM erhalten wird. Um die Größe der TNO auf die Hälfte (innerhalb 1% Fs) des Standes der Technik innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches zu ver ringern, sollte das Verhältnis r/D1 auf einen Wert im Bereich von 0,2 bis 0,7 gesetzt werden. Vorzugsweise sollte das Verhältnis r/D1 auf einen Wert im Bereich von 0,25 und 0,4 gesetzt werden, da ein Höchstwert unter 1% FS in diesem Bereich auftritt. Fig. 4 shows the result obtained by simulating the relationship between the ratio r / D1 and the size of the TNO by means of FEM. In order to reduce the size of the TNO to half (within 1% Fs) of the prior art within an operating temperature range, the ratio r / D1 should be set to a value in the range from 0.2 to 0.7. The ratio r / D1 should preferably be set in the range of 0.25 and 0.4, since a maximum value below 1% FS occurs in this range.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis, das durch die Simulation der Beziehung zwischen dem Verhältnis r/D2 und der Größe der TNO mittels FEM erhalten wird. Um die Größe der TNO auf die Hälfte des Standes der Technik innerhalb des Betriebstemperaturbereiches zu reduzieren, sollte das Verhältnis r/D2 auf einen Wert im Bereich von 0,17 und 0,5 gesetzt werden. Vorzugsweise sollte das Verhältnis r/D2 auf einen Wert im Bereich von 0,2 und 0,28 gesetzt werden, da ein Höchstwert unter 1% FS in diesem Bereich auftritt. Fig. 5 shows the result obtained by simulating the relationship between the ratio r / D2 and the size of the TNO by means of FEM. In order to reduce the size of the TNO to half the state of the art within the operating temperature range, the ratio r / D2 should be set to a value in the range from 0.17 and 0.5. The ratio r / D2 should preferably be set in the range of 0.2 and 0.28, since a maximum value below 1% FS occurs in this range.

Im übrigen werden dieselben Ergebnisse wie in Fig. 4 und 5 gezeigt durch Simulation erhalten, wenn der Winkel θ auf einen Wert zwischen 15° und 37° gesetzt wird, mit Ausnahme von 31°. Infolgedessen wird die Größe der TNO auf die Hälfte des aus dem Stand der Technik bekannten innerhalb eines Betriebstemperaturbereiches verringert, wenn das Verhältnis von r/D1 und r/D2 auf einen Wert innerhalb des oben beschriebenen Bereiches in der Druckerfassungsvorrichtung gesetzt wird, die einen Sensortyp 30 aufweist, der auf eine metallische Membran 10 aufgebracht wird, und in welchem der Winkel θ auf einen Wert im Bereich von 15 bis 37° gesetzt wird. Incidentally, the same results as shown in Figs. 4 and 5 are obtained by simulation when the angle θ is set between 15 ° and 37 ° except for 31 °. As a result, if the ratio of r / D1 and r / D2 is set to a value within the range described above in the pressure sensing device that has a sensor type 30 , the size of the TNO is reduced to half that known from the prior art which is applied to a metallic membrane 10 and in which the angle θ is set to a value in the range from 15 to 37 °.

Im übrigen ist es in dieser Ausführungsform vorzuziehen, daß der Winkel A auf 31° gesetzt wird, da die TNO im Sensorchip 30, wie in Fig. 6 gezeigt, auftritt. Das ist dadurch begründet, daß ein Bereich in welchem der Fehler D_sN, der durch die thermische Spannung verursacht wird, innerhalb der Grenzen ± 1% FS liegt, sich vornehmlich in Richtung der <110< Kristallachsen ausdehnt, wenn der Winkel θ auf einen Wert von 31° gesetzt wird, wie in Fig. 6 gezeigt.Incidentally, in this embodiment, it is preferable that the angle A is set to 31 ° because the TNO occurs in the sensor chip 30 as shown in FIG. 6. This is because a range in which the error D _s N caused by the thermal stress is within the limits ± 1% FS mainly extends in the direction of the <110 <crystal axes when the angle θ is one Value of 31 ° is set, as shown in Fig. 6.

Mit anderen Worten die Verteilung des Fehlers D_sN, der durch die thermische Spannung im Sensorchip 30 verursacht wird, der wiederum eine rechteckige und flache Form aufweist, hängt von der relativen Position zwischen der Seite des Sensorchips 30 und der Richtung der <110< Kristallachsen ab. Wenn daher der Winkel θ an einer anderen Position als bei 31° angeordnet wird, wird der Bereich in welchem der Fehler D_sN, der durch die thermische Spannung verursacht wird, innerhalb ± 1%Fs liegt in einer Richtung entlang der <110< Kristallachsen eng, so daß dessen Grenzlinie nahe an den Mittelpunkt K des Sensorchips 30 kommt.In other words, the distribution of the error D _s N caused by the thermal stress in the sensor chip 30 , which in turn has a rectangular and flat shape, depends on the relative position between the side of the sensor chip 30 and the direction of the <110 <crystal axes from. Therefore, when the angle θ is placed at a position other than 31 °, the area in which the error D _s N caused by the thermal stress is within ± 1% Fs in a direction along the <110 <crystal axes closely so that its boundary line comes close to the center K of the sensor chip 30 .

Wie oben beschrieben ist die Ausgabe der Druck erfassungsvorrichtung 1 proportional zur Größe der Differenz zwischen der Spannung _sxx und der Spannung _syy, die in den X- und Y-Richtungen der zwei <110< Kristallachsen erzeugt wird. Außerdem vergrößert sich die Größe der Differenz, wenn jeder Abstand der Dehnmeßstrei fenwiderstände 51 bis 54 vom Mittelpunkt K des Sensor chips 30 vergrößert wird. Wenn folglich der Winkel θ auf einen Wert von 31° gesetzt wird, können die Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54 an der entferntesten Position vom Mittelpunkt K auf dem Sensorchip 30 angeordnet werden, in einem Bereich, wo die TNO innerhalb 1% FS liegt, wobei die vorteilhafteste Anordnung der Dehnmeßstreifenwiderstände 51 bis 54 in Form von sowohl Verbesserung der Empfindlichkeit und der Verringerung des Fehlers, der durch thermische Spannung verursacht wird, erreicht werden kann.As described above, the output of the pressure sensing device 1 is proportional to the magnitude of the difference between the voltage _s xx and the voltage _s yy generated in the X and Y directions of the two <110 <crystal axes. In addition, the size of the difference increases when each distance of the Dehnmeßstrei fen resistors 51 to 54 from the center K of the sensor chip 30 is increased. Accordingly, when the angle θ is set to be 31 °, the strain gauge resistors 51 to 54 can be placed at the farthest position from the center K on the sensor chip 30 , in a range where the TNO is within 1% FS, the most advantageous Arrangement of strain gauge resistors 51 to 54 in the form of both improving sensitivity and reducing the error caused by thermal stress can be achieved.

Im übrigen weicht der Winkel θ, der in den Herstell ungsverfahrensschritten gesetzt wird, unweigerlich von der gewünschten Position ab, aufgrund von Fehlern im Ausrichtungsverfahrensschritt der Abdeckung oder beim Verfahrensschritt des in Chips Zerschneiden des Wafers oder Ähnlichem. Die Fehler in den Herstellungsverfahrens schritten werden mit ± 2° bezüglich dem vorbestimmten Winkel θ berücksichtigt. Folglich sollte der Winkel A einen Winkel von ± 2° als Toleranzbereich beinhalten. Zum Beispiel, der Winkel θ hat einen Wert im Bereich von 31° ± 2°.Otherwise, the angle θ gives way to that in the manufacture steps are inevitably taken by the desired position due to errors in the Alignment process step of cover or at Process step of cutting the wafer into chips or similar. The mistakes in the manufacturing process steps with ± 2 ° with respect to the predetermined Angle θ taken into account. Hence the angle A include an angle of ± 2 ° as the tolerance range. To the Example, the angle θ has a value in the range of 31 ° ± 2 °.

Im übrigen müssen die Verhältnisse r/D1 und r/D2 nicht notwendigerweise gleichzeitig in den oben erwähnten Bereichen liegen. Die Druckerfassungsvorrichtung kann ebenso für eine Vorrichtung zum Erfassen eines Fluids unter Hochdruck angewendet werden, zusätzlich zu einem Sensor, der den Einspritzdruck eines Einspritzdruckregel systems eines Dieselverbrennungsmotors für ein Kraftfahr zeug erfaßt.For the rest, the ratios r / D1 and r / D2 not necessarily simultaneously in the above Areas. The pressure detection device can also for a device for detecting a fluid be used under high pressure, in addition to one Sensor that controls the injection pressure of an injection pressure systems of a diesel internal combustion engine for a motor vehicle stuff recorded.

Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, daß Änderungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne vom Bereich der in den beigefügten Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.While the present invention with reference to the previous preferred embodiments shown and it has been described for the person skilled in the art be obvious that changes in form and detail can be made without departing from the scope of the to deviate from the appended claims defined invention.

Claims

1. A pressure detection device with
a round membrane ( 10 ) made of metal to absorb the pressure;
a rectangular sensor chip ( 30 ), which is attached to the membrane, and made of a single crystal semiconductor with a (100) surface orientation, the sensor chip, which has a side that has an angle of 15 ° to 37 ° with a <110 < Includes the crystal axis of the single crystal semiconductor; and
four strain gauges ( 51 to 54 ), which are arranged point-symmetrically on the sensor chip with respect to the center (K) of the sensor chip in order to detect the pressure based on the deformations of the sensor chip and the membrane and the sensor chip, the four strain gauges are from a first pair composed of strain gauges which are arranged on an axis parallel to the <110 <crystal axis and a second pair of strain gauges which are arranged on a second axis perpendicular to the first axis, characterized in that
a ratio r / D1 is in the range of 0.2 to 0.7, where r is the distance of each of the strain gauges from the center and D1 is the diameter of the membrane.

2. The pressure detection device according to claim 1, characterized in that the ratio r / D1 in one Range is from 0.25 to 0.4.

3. A pressure detection device with
a round membrane ( 10 ) made of metal to absorb the pressure;
a rectangular sensor chip ( 30 ), which is attached to the membrane, and is made of a single crystal semiconductor with a (100) surface orientation, the sensor chip, which has a side that has an angle of 15 ° to 37 ° with a <110 <Includes crystal axis of single crystal semiconductor; and
four strain gauges ( 51 to 54 ), which are arranged point-symmetrically on the sensor chip with respect to the center (K) of the sensor chip in order to detect the pressure based on the deformations of the sensor chip and the membrane and the sensor chip, the four strain gauges are from a first pair composed of strain gauges which are arranged on an axis parallel to the <110 <crystal axis and a second pair of strain gauges which are arranged on a second axis perpendicular to the first axis, characterized in that
a ratio r / D2 is in the range of 0.17 to 0.5, where r is the distance of each strain gauge from the center, and D2 is the length of the side of the sensor chip.

4. The pressure detection device according to claim 3, wherein the ratio r / D2 ranges from 0.2 to 0.28.

5. The pressure detection device according to one of the previous claims 3 and 4, wherein a ratio r / D1 is in a range between 0.2 and 0.7, where r is the Distance from each strain gauge from the center is and D1 is the diameter of the membrane.

6. The pressure detection device according to claim 5, the ratio r / D1 in a range between 0.25 and 0.4 is.

7. The pressure detection device according to one of the previous claims 1 to 6, wherein the angle θ in one Range is between 31 ° ± 2 °.