DE10135169B4

DE10135169B4 - Widerstandsanordnung und Strommesser

Info

Publication number: DE10135169B4
Application number: DE2001135169
Authority: DE
Inventors: Ning Dr. Qu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: DE10135169A1

Abstract

Widerstandsanordnung (7, 3, 8), die auf einer Halbleiteranordnung (1, 2) angeordnet ist oder Bestandteil der Halbleiteranordnung (1, 2) ist, mit einer zugeordneten Ausweiteschaltung zur Auswertung eines Spannungsabfalls an der Widerstandsanordnung (7, 3, 8), die auf der Halbleiteranordnung (1, 2) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) und die Auswerteschaltung auf der Halbleiteranordnung (1, 2, 3, 4, 5) monolithisch integriert sind und die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) zusätzlich zu einem ersten dotierten Gebiet (3) ein weiteres gleichartig dotiertes Gebiet (4) aufweist, das vom ersten Gebiet (3) durch ein Isolationsgebiet (5) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Widerstandsanordnung nach dem Anspruch 1.

Es sind diskrete Shuntwiderstände bekannt, mit deren Hilfe beispielsweise eine Strommessung durchgeführt wird. Hierbei wird der diskrete Shuntwiderstand in den Stromkreis, in dem der zu messende Strom fließt, eingeführt und aus dem Spannungsabfall am Shuntwiderstand beispielsweise die Stromstärke abgeleitet. Vorteile von Shuntwiderständen sind ihr kleiner Temperaturkoeffizient und ihre teilweise niedrigen Kosten für manche Anwendungsbereiche. Bei diskreten Shuntwiderständen ist es jedoch häufig schwierig, für eine erfolgreiche Weiterleitung des Meßsignals zwischen dem Shuntwiderstand und der Auswerteschaltung zu sorgen. Die Strommessung mit einem Shuntwiderstand R ist eine nicht galvanisch getrennte Messung und verursacht daher eine Verlustleistung P, die mit dem zu messenden Strom I quadratisch zunimmt: P = I² × R. Zur Messung von höheren Strömen muss der Wert des Shuntwiderstandes stark abgesenkt werden, damit es nicht zu großen Verlustleistungen kommt. Hierdurch wird ebenfalls die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden des Shuntwiderstands herabgesetzt, so dass nur ein sehr schwaches Messsignals resultiert. Dessen sichere, d.h. kontrollierbare und unverfälschte Weiterleitung, insbesondere zu einer Auswerteschaltung, gestaltet sich häufig als eine sehr schwierige Aufgabe.

Aus der Druckschrift Kleine G.: Strommesser MAX 471/MAX472 in der Zeitschrift Elektor 6/95, Seite 31 bis 33 ist bekannt, mit Hilfe einer Auswerteschaltung den Spannungsabfall an einer Widerstandsanordnung zu ermitteln. Aus dem Spannungsabfall wird der durch den Messwiderstand fließende Strom bestimmt. Die gesamte Anordnung mit Messwiderstand und Auswerteschaltung ist als integrierter Schaltkreis ausgestaltet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Messwiderstand einschließlich zugehöriger Auswerteschaltung so auszugestalten, dass auch bei kleinem Messsignal eine zuverlässige Messung durchgeführt werden kann. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß, durch eine Widerstandsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber hat die Widerstandsanordnung nach dem Anspruch 1 den Vorteil, dass eine sichere Weiterleitung des Meßsignals zwischen dem Shuntwiderstand und der Auswerteschaltung problemlos möglich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Widerstandsanordnung und deren Eignung für einen Strommesser angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 ein Querschnittsbild einer erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung,
2 eine leicht vereinfachte Darstellung einer Draufsicht auf die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung und
3 eine Darstellung einer Ansicht von unten der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Querschnittsbild der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung dargestellt. Die Widerstandsanordnung ist erfindungsgemäß in einem bzw. auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, als Halbleitermaterial ein Siliziumsubstrat zu verwenden. Bezugszeichen 1 bezeichnet ein erfindungsgemäßes Siliziumhalbleitermaterial, welches im Beispiel p-dotiert vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung ist durch ein erstes Gebiet in dem Halbleitersubstrat verkörpert, welche beispielhaft n-dotiert vorgesehen und mit den Bezugszeichen 3 versehen ist. Ein zweites n-dotiertes Gebiet ist mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Das erste n-dotierte Gebiet 3 ist von dem zweiten n-dotierten Gebiet 4 durch ein Isolationsgebiet 5 getrennt. Das erste n-dotierte Gebiet 3 und das zweite n-dotierte Gebiet 4 ist von weiteren n-dotierten Gebieten 2 ebenfalls durch das Isolationsgebiet 5 elektrisch getrennt. Erfindungsgemäß ist es insbesondere vorgesehen, das erste n-dotierte Gebiet 3 und das zweite n-dotierte Gebiet 4 mittels einer gegenüber dem weiteren n-dotierten Gebiet 2 zusätzlichen n-Dotierungen derart zu behandeln, dass ihr spezifischer Widerstand auf definierte Art und Weise eingestellt werden kann. Der im Beispiel positiv dotierte Substratbereich 1 ist unterhalb des weiteren n-dotierten Gebietes 2 vorgesehen und im Bereich des ersten und zweiten n-dotierten Gebiets 3, 4 im wesentlichen entfernt, beispielsweise durch selektives Ätzen bis zur n-Epitaxieschicht, die das erste und zweite n-dotierte Gebiet 3, 4 angibt. Weiterhin ist auf der Oberseite des ersten n-dotierten Gebiets 3 eine Metallschicht 7 vorgesehen, welche als obere Elektrode des Shuntwiderstands zur Weiterführung des zu messenden Stroms dient. Weiterhin ist eine Metallleiterbahn 7a vorgesehen, die sich seitlich direkt an die Metallschicht 7 anschließt und die von dem weiteren n-dotierten Bereich 2, dem Isoliergebiet 5 und dem ersten n-dotierten Bereich 3 durch eine Isolationsschicht 6 isoliert ist. Die Isolationsschicht 6 ist beispielsweise als Siliziumoxidschicht vorgesehen und dient der Verhinderung unerwünschter elektrischer Verbindungen zwischen der Metallschicht 7 und den n-dotierten Bereichen 3, 4, 2. Die Metallleiterbahn 7a dient der Weiterleitung des Potentials der oberen Elektrode 7 des Shuntwiderstands zu einer nichtdargestellten Auswerteschaltung. Die nichtdargestellte Auswerteschaltung ist ebenfalls auf der Halbleiteranordnung monolithisch integriert. Eine zweite Metallschicht 8 ist an der Unterseite des ersten n-dotierten Bereichs 3 vorgesehen. Die zweite Metallschicht 8 dient als untere Elektrode des Shuntwiderstands zur Weiterführung des zu messenden Stroms im Meßkreis. Weiterhin ist eine zweite Metallleiterbahn 8a vorgesehen, die sich seitlich unmittelbar an die zweite Metallschicht 8 anschließt. Die zweite Metallleiterbahn 8a dient der Weiterleitung des Potentials der unteren Elektrode 8 zur Unterseite des zweiten n-dotierten Gebiets 4. Damit wird das Potential der unteren Elektrode 8 des Shuntwiderstands über das zweite n-dotierte Gebiet 4 zur Oberseite des Chips bzw. der Halbleiteranordnung weitergeleitet. Auf der Oberseite des zweiten n-dotierten Gebiets 4 ist eine dritte Metallleiterbahn 9 vorgesehen, die das Meßsignal vom zweiten n-dotierten Bereich 4 zur nichtdargestellten Auswerteschaltung weiterleitet. Zwischen der dritten Metallleiterbahn 9 und dem Isolationsgebiet 5 bzw. zwischen der ersten Metallschicht 7 und dem Isolationsgebiet 5 ist wiederum die Isolationsschicht 6 vorgesehen.
In 2 ist die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung, die auf der Halbleiteranordnung monolithisch integriert ist, in einer Draufsicht von oben dargestellt. Weiterhin ist in 2 eine Schnittlinie A-A' dargestellt, die der Schnittdarstellung in 1 entspricht. In 2 stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Bereiche bzw. Komponenten der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung wie in 1 beschrieben dar. Insbesondere ist der erste n-dotierte Bereich 3 im Wesentlichen in der Mitte der Halbleiteranordnung dargestellt, der von der ersten Metallschicht 7 teilweise bedeckt ist. Weiterhin ist rechts vom ersten n-dotierten Bereich 3 und getrennt durch das Isolationsgebiet 5 der zweite n-dotierte Bereich 4 dargestellt. Sowohl um den ersten n-dotierten Bereich 3 als auch um den zweiten n-dotierten Bereich 4 erstreckt sich das Isolationsgebiet 5. Die in 2 dargestellte Draufsicht der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung ist jedoch in einem Punkt vereinfacht wiedergegeben, nämlich darin, dass die Isolationsschichten 6, die bei der Beschreibung der 1 erwähnt wurden, nicht dargestellt ist. Erkennbar ist weiterhin der größere Bereich des weiteren n-dotierten Gebiets 2. Verbunden mit der ersten Metallschicht 7 erstreckt sich die erste Metallleiterbahn 7a nach links über den ersten n-dotierten Bereich 3 und das Isolationsgebiet 5 zur nichtdargestellten Auswerteschaltung. Hierbei ist die erste Metallleiterbahn 7a wie bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnt, durch die Isolationsschicht 6 von anderen Gebieten getrennt. Ebenso erstreckt sich ausgehend vom zweiten n-dotierten Gebiet 4 die dritte Metallleiterbahn 9 nach rechts und ist ebenso wie die erste Metallleiterbahn 7a durch die Isolationsschicht 6 von anderen Teilen der Anordnung isoliert.
In 3 ist die erfindungsgemäße Widerstandsanordnung in einer Ansicht von unten dargestellt. Wiederum ist die Schnittline A-A' dargestellt. Erkennbar ist im Gegensatz zu 2 diesmal der Bereich des p-dotierten Substrats 1, der das Isolationsgebiet 5 teilweise verdeckt. Das Isolationsgebiet 5 in 3 entspricht dem Isolationsgebiet 5 in 2. Weiterhin entspricht dem ersten n-dotierten Gebiet 3 und dem zweiten n-dotierten Gebiet 4 in 3 die entsprechenden Gebiete in 2. Lediglich in 3 sichtbar ist jedoch die zweite Metallschicht 8 bzw. die untere Elektrode 8, da sie von oben nicht sichtbar ist. An die zweite Metallschicht 8 schließt sich die zweite Metallleiterbahn 8a an, die den ersten n-dotierten Bereich 3 und den zweiten n-dotierten Bereich 4 elektrisch miteinander verbindet, wobei hierbei das Isolationsgebiet 5 überbrückt wird.
Der Widerstandswert der Widerstandsanordnung gemäß der Erfindung lässt sich in einfacher Weise durch die Dotierung und die Abmessungen des ersten n-dotierten Gebiets 3 auf sehr genaue Weise bestimmen. Ein Rechenbeispiel bezüglich des ersten n-dotierten Gebiets 3 soll dies verdeutlichen: Bei einem angenommenen spezifischen Widerstand von 10 mΩ * cm und einer Dicke in vertikaler Richtung des ersten n-dotierten Gebiets von 10 μm und einer Fläche des ersten n-dotierten Gebiets 3 von 10 mm² errechnet sich ein Widerstandswert des Shuntwiderstands der Widerstandsanordnung von:
Widerstand = spezifischer Widerstand * Dicke des ersten n-dotierten Gebiets 3/Fläche des ersten n-dotierten Gebiets 3 = 0, 1 mΩ.
Bei einem zu messenden Strom von 100 A erhält man beim angegebenen Rechenbeispiel ein Meßsignal in Form einer zwischen den Elektroden des Shuntwiderstands anliegenden Spannung von 10 mV und eine Verlustleistung von 1 W.
Die nichtdargestellte Auswerteschaltung wird im Gebiet des weiteren n-dotierten Gebiets 2 hergestellt, die durch das Isolationsgebiet 5 von den Gebieten der ersten und zweiten n-dotierten Gebiete 3, 4 elektrisch getrennt ist. Die Verbindungen zwischen dem Shuntwiderstand, der aus dem ersten n-dotierten Gebiet 3 besteht, und der Auswerteschaltung erfolgen durch die erste Metallleiterbahn 7a und die dritte Metallleiterbahn 9.
Zusätzlich zu den Dimensionen des ersten n-dotierten Gebiets 3 können auch die Abmessungen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 8 Einfluß auf den Widerstandswert der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ausüben. Diese Auswirkungen sind jedoch vollständig bekannt und daher beherrschbar.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Dicke und den spezifischen Widerstand des ersten n-dotierten Gebiets 3 mittels Teststrukturen, die ebenfalls monolithisch integriert werden, zu ermitteln und damit den Shuntwiderstand sehr genau zu kalibrieren.
Weiterhin ist es möglich, eine Temperaturkompensation des Shuntwiderstands mit Hilfe eines monolithisch integrierten Temperatursensors zu realisieren. Hierzu wird der temperatursensible Bereich des nichtdargestellten Temperatursensors möglichst nah an den ersten n-dotierten Bereich 3 gebracht und in der nichtdargestellten Auswerteschaltung die Meßsignale der erfindungsgemäßen Widerstandsanordnung und des nichtdargestellten Temperatursensors derart ausgewertet, dass eine möglichst umfassende Temperaturkompensation des Meßsignals der Widerstandsanordnung erreicht wird. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine temperaturkompensierte Widerstandsanordnung bereitgestellt.

Claims

Widerstandsanordnung (7, 3, 8), die auf einer Halbleiteranordnung (1, 2) angeordnet ist oder Bestandteil der Halbleiteranordnung (1, 2) ist, mit einer zugeordneten Ausweiteschaltung zur Auswertung eines Spannungsabfalls an der Widerstandsanordnung (7, 3, 8), die auf der Halbleiteranordnung (1, 2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) und die Auswerteschaltung auf der Halbleiteranordnung (1, 2, 3, 4, 5) monolithisch integriert sind und die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) zusätzlich zu einem ersten dotierten Gebiet (3) ein weiteres gleichartig dotiertes Gebiet (4) aufweist, das vom ersten Gebiet (3) durch ein Isolationsgebiet (5) getrennt ist.
Widerstandsanordnung (7, 3, 8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordnung (1) p-dotiert ist, das die Gebiete (2, 3 und 4) n-dotiert sind und dass Schichten (7, 8) als Metallschichten vorgesehen sind.
Widerstandsanordnung (7, 3, 8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) als Shuntwiderstand vorgesehen ist.
Widerstandsanordnung (7, 3, 8) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (7, 3, 8) zur Messung einer Stromstärke vorgesehen ist und die Metallschichten (7, 8) als Elektroden zur Weiterführung des zu messenden Stromes dienen.
Widerstandsanordnung (7, 3, 8) nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiteranordung (1, 2, 3, 4, 5, 6) aus gegebenenfalls dotiertem Silizium oder Siliziumoxid besteht.
Widerstandsanordnung (7, 3, 8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich monolithisch ein Temperatursensor integriert ist.
Widerstandsanordnung (7, 3, 8) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass die Auswerteschaltung zur Temperaturkompensation vorgesehen ist.