DE10152882A1

DE10152882A1 - Halbleiterdrucksensor mit Signalprozessorschaltkreis

Info

Publication number: DE10152882A1
Application number: DE10152882A
Authority: DE
Inventors: Yasutoshi Suzuki; Inao Toyoda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: JP2002131161A; DE10152882B4; US20020050172A1; FR2816053B1; US6615668B2; FR2816053A1

Abstract

Eine Membran (12), die sich abhängig von einem daran angelegten Druck verformt, und ein Signalprozessorschaltkreis (14) werden auf einem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet, das eine (110)-Flächenorientierung aufweist. Dehnungsmessstreifen (Ra, Rb), die die Membranverformung in ein elektrisches Signal (Vout) umwandeln und eine Brückenschaltung ausbilden, sind auf der Membran ausgebildet. Das elektrische Signal der Brückenschaltung wird durch den Signalprozessorschaltkreis (14) verarbeitet. Ein Transistorenpaar (15a, 15b), das in dem Signalprozessorschaltkreis eine Eingangsschaltung eines Verstärkers (15) bildet, ist auf dem Substrat (10) angeordnet, um deren Source-Drain-Stromrichtungen auszugleichen. Ein Wärmebelastungseinfluss auf die Sensorausgabe wird minimiert, da Sensorkomponenten auf dem Substrat (10) ausgebildet sind, die eine (110)-Flächenorientierung aufweisen, und dadurch der an der Membran (12) angelegte Druck genau erfasst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, der zusammen mit einer Schaltung zur Ver arbeitung von Signalen von dem Drucksensor auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.

Im Allgemeinen ist es bei einem Halbleiterdruck sensor notwendig die durch Schwankungen im Herstel lungsprozess oder andere Faktoren verursachten Ausga befehler zu kalibrieren. Die Kalibrierung wird in ei nem Signalprozessorschaltkreis durchgeführt, der mit einem Erfassungselement verbunden ist. Ein Beispiel für die Ausgangssignalkalibrierung ist in dem Artikel "DSP-BASED CMOS MONOLITHIC PRESSURE SENSOR FOR HIGH VOLUME MANUFACTURING" auf den Seiten 362-365 von "Transducers '99, 7.-10. Juni, 1999, Sendai, Japan" offengelegt. Dieser Artikel lehrt, Sensorausgaben di gital zu kalibrieren und einen Betrag der Kalibrierung in einem auf dem Chip befindlichen Permanentspeicher zu speichern.

Die Nutzung von CMOS Elementen in einem Signalpro zessorschaltkreis für einen Halbleiterdrucksensor ist bekannt, wie in JP-A-8-64693 und JP-A-7-326771 offen gelegt ist. Die CMOS Elemente sind gewöhnlich auf ei nem Siliziumsubstrat ausgebildet, das eine (100)-Flä chenorientierung aufweist, die einen niedrigen Grenz energiepegel aufweist (nachfolgend (100)-Typ Substrat genannt), wie in dem Buch "Semiconductor device - Basic Theory and Process Technology" (Erstveröffentlichung 1987, 6. Auflage 1992 auf Seite 205) gelehrt. Es ist allgemeinen bekannt, einen Halb leitersensor kompakt herzustellen, indem die Signal prozessorschaltkreis, welche die CMOS Elemente ent hält, auf einem Chip zusammen mit dem Sensorelement ausgebildet wird.

Andererseits weist JP-A-4-119672 darauf hin, dass der auf dem (100)-Typ Substrat ausgebildete Drucksen sor ungenau ist, da durch Wärmebelastung auf einer Membran eine Gegenspannung erzeugt wird, und die Tem peraturabhängigkeit der Gegenspannung nicht linear ist. Darüber hinaus weist sie darauf hin, dass die Ge genspannung aufgrund der Wärmebelastung bei der Her stellung eines Einzeltypdrucksensors verringert werden kann, indem ein eine (110)-Flächenorientierung aufwei sendes Siliziumhalbleitersubstrat verwendet wird.

Aber es besteht ungeachtet der verschiedenen Hin weise im Stand der Technik weiterhin das Problem der Ausgabefehler bei einem Halbleiterdrucksensor.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des oben erwähnten Problems gemacht. Die Aufgabe der vor liegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Halb leiterdrucksensor bereitzustellen, der eine hohe Er fassungsgenauigkeit aufweist, indem eine nachteilige Beeinflussung der Sensorausgangsspannung durch die Wärmebelastung minimiert wird.

Der Halbleiterdrucksensor, gemäß der vorliegenden Erfindung, ist aus einem Druckerfassungselement und einer Signalprozessorschaltkreis zusammengesetzt, die beide auf einem eine (110)-Flächenorientierung aufwei senden Halbleitersubstrat ausgebildet sind ((110)-Typ Substrat genannt). Das Druckerfassungselement beinhal tet eine Membran und vier Dehnungsmessstreifen, die auf der Membran ausgebildet sind. Die Membran wird im Ansprechen auf einen daran angelegten Druck defor miert, und die Membrandeformation wird durch die Deh nungsmessstreifen in ein elektrisches Signal umgewan delt. Die auf dem Substrat als Diffusionsschicht aus gebildeten Dehnungsmessstreifen sind derart verbunden, dass sie eine Wheatstone'sche Brücke ausbilden. Die Brücke wird mit einer Konstantspannung als Eingangs spannung gespeist, und gibt ein dem zu messenden Druck entsprechendes Spannungssignal aus.

Der Signalprozessorschaltkreis zur Verarbeitung der Ausgangsspannung des Erfassungselements beinhaltet CMOS Elemente oder Bi-CMOS Elemente. Der Signalprozes sorschaltkreis weist einen Verstärker zur Verstärkung der Ausgangsspannung des Erfassungselements auf. Die Ausgangsspannung wird in den Verstärker von seiner Eingangsschaltung eingegeben, die aus einem Paar von Transistoren zusammengesetzt ist. Das Paar Transisto ren ist auf dem Substrat derart angeordnet, dass Strom zwischen einer Source und einer Drain in beiden Tran sistoren in die selbe Richtung fließt.

Vorzugsweise werden die Dehnungsmessstreifen auf dem (110)-Typ Substrat entlang seiner <110<-Kristall achse angeordnet, und das Paar von Transistoren in der Verstärkereingangsschaltung wird derart angeordnet, dass der Source-Drain Strom in die Richtung der <110<-Kristallachse fließt. Die Membran ist in einer achteckigen Form ausgebildet, um den Wärmebelastungseinfluss auf alle Dehnungsmessstreifen auszugleichen. Der Si gnalprozessorschaltkreis beinhaltet einen Permament speicher, in den Daten zur Einstellung der Erfassungs ausgangsspannung von außen geschrieben werden.

Da Gas Druckerfassungselement und der Signalpro zessorschaltkreis auf dem (110)-Typ Substrat ausgebil det sind, wird der Einfluss der Wärmebelastung auf die Sensorausgaben verringert und dadurch der Druck mit hoher Genauigkeit erfasst. Da das Transistorenpaar in der Verstärkereingabeschaltung auf dem Substrat ange ordnet ist, um die Source-Drain Stromrichtungen auszu gleichen, ist es dem Verstärker möglich, eine Tiefpe gelerfassungsausgangsspannung mit hoher Genauigkeit zu verstärken. Die Temperaturabhängigkeit der Sensoraus gangsspannung, die möglicherweise bei einem niedrigem Pegel existiert, wird einfach auf der Grundlage der Daten im Permanentspeicher eingestellt.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der illustra tiv und nicht einschränkend zu verstehenden Beschrei bung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung an hand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Halbleiterdrucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 eine Draufsicht, die die Positionen der Dehnungsmessstreifen zeigt, die auf einem Halbleiter substrat ausgebildet sind;

Fig. 3 eine Schaltung, die eine von den Dehnungs messstreifen gebildete Brücke zeigt;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm, das einen Auf bau einer Signalprozessorschaltkreis zeigt, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht, die eine Sensor baugruppe zeigt, auf der der Halbleiterdrucksensor an gebracht ist;

Fig. 6A eine schematische Draufsicht, die die Po sitionen der Dehnungsmessstreifen zeigt, die auf einem (100)-Typ Substrat ausgebildet sind;

Fig. 6B eine schematische Draufsicht, die die Po sitionen der Dehnungsmessstreifen zeigt, die auf einem (110) Typ Substrat ausgebildet sind;

Fig. 7A eine Grafik, die eine Wärmebelastungsver teilung in x-Richtung auf dem (100)-Typ Substrat zeigt;

Fig. 7B eine Grafik, die eine Wärmebelastungsver teilung in y-Richtung auf dem (100)-Typ Substrat zeigt;

Fig. 7C eine Grafik, die eine Wärmebelastungsver teilung in x-Richtung auf dem (110) Typ Substrat zeigt; und

Fig. 8A und 8B eine schematische Darstellung, die die Kristallachsenrichtungen auf dem (100)-Typ Substrat zeigt.

Zunächst wird mit Bezug auf Fig. 6A bis 6B und 7A bis 7C ein allgemeines Konzept der vorliegenden Er findung erläutert. Der Wärmebelastungseinfluss auf die Sensorausgangsspannung eines Membransensors, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, das eine (100) Flächenorientierung aufweist (nachstehend als (100)- Typ Substrat bezeichnend) und bei einem Membransensor, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, das eine (110)-Flächenorientierung aufweist (nachstehend als (110)-Typ Substrat bezeichnet) wird untersucht. Die Fig. 6A und 6B zeigen Positionen von Deh nungsmessstreifen Ra, Rb, die jeweils auf dem (100)- Typ Substrat und auf dem (110)-Typ Substrat ausgebil det sind. Die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb sind auf ei ner quadratischen Membran 12 ausgebildet. Eine Linie A-A' in Fig. 6A und eine Linie C-C' in Fig. 6B zei gen jeweils die x-Richtung an. Eine Linie B-B' in Fig. 6A zeigt die y-Richtung an, die senkrecht auf die x-Richtung steht. Die Kristallachsen <110< des (100)- Typ Substrats liegen sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung, wie in Fig. 6A gezeigt. Ein Paar von Dehnungsmessstreifen Ra ist entlang der x-Richtung angeordnet und ein anderes Paar Dehnungsmessstreifen Rb ist entlang der y-Richtung angeordnet. Andererseits liegt in dem (110)-Typ Substrat eine <110< Kristall achse in der x-Richtung, während eine Kristallachse <100< in der y-Richtung liegt, wie in Fig. 6B gezeigt. Alle Dehnungsmessstreifen Ra und Rb sind in x-Richtung angeordnet, da die Empfindlichkeit in x-Richtung in dem (110)-Typ Substrat viel höher ist als in y-Rich tung.

Sowohl bei den (100)-Typ als auch bei den (110)- Typ Substraten ist eine Brückenschaltung mittels einem Paar Dehnungsmessstreifen Ra und einem Paar Dehnungs messstreifen Rb ausgebildet. Beim (100)-Typ Substrat wird eine Widerstandsveränderung ΔR in jedem Messele mentwiderstand R und eine Messelementausgangsspannung ΔV als eine Sensorausgabe in der folgenden Formel aus gedrückt, wobei eine Richtung des Stromes I, der in jedem Messelement Ra, Rb fließt x ist, eine x Rich tungskomponente der angelegten Spannung σx ist, eine y Richtungskomponente der angelegten Spannung σy ist, ein Koeffizient des piezoelektrischen Widerstandes π44 ist, eine Widerstandsveränderung von Ra ΔRa ist und eine Widerstandsveränderung von Rb ΔRb ist:

ΔR = (1/2).R (σx-σy).π44

ΔV = (1/2).(ΔRa-ΔRb).I

Beim (110)-Typ Substrat werden ΔR und ΔV in den folgenden Formeln ausgedrückt:

ΔR = (1/2).R.σ x.π44

ΔV = (1/2).(ΔRa-ΔRb).I

Die Verteilungen der Wärmespannung werden mit Be zug auf Fig. 7A, 7B und 7C besprochen. Die Wärme spannung in x-Richtung des (100)-Typ Substrats ist in Fig. 7A gezeigt, die Wärmespannung in y-Richtung des (100)-Typ Substrats wird in Fig. 7B gezeigt, und die Wärmespannung in x-Richtung des (110)-Typ Substrats wird in Fig. 7C gezeigt.

Wie in Fig. 7A gesehen werden kann, ist die Wär mespannung σx in x-Richtung des (100)-Typ Substrats an beiden Enden der Membran 12 hoch, während die Wär mespannung σy in y-Richtung im mittleren Abschnitt hoch und an beiden Enden niedrig ist. Eine Differenz zwischen σx und σy (σx-σy), die eine Fehlerkom ponente der Wärmebelastung in den Messelementen Ra darstellt, ist ein positiver Wert. Andererseits ist, wie in Fig. 7B gesehen werden kann, die Wärmebela stung σx in y-Richtung des (100)-Typ Substrats im mittleren Abschnitt hoch und an beiden Enden der Mem bran 12 niedrig, während die Wärmebelastung σy in y-Richtung im mittleren Abschnitt niedrig ist und an beiden Enden hoch ist. Eine Differenz zwischen σx und σy (σx-σy), die eine Fehlerkomponente der Wärmebe lastung in den Messelementen Rb darstellt, ist ein ne gativer Wert.

Wie oben beschrieben ist beim (100)-Typ Substrat die Fehlerkomponente der Wärmebelastung in den Messe lementen Ra ein positiver Wert und in den Messelemen ten Rb ein negativer Wert. Daher werden beide Fehler komponenten in obiger Formel zur Berechnung der Messe lementausgangsspannung ΔV addiert. Das bedeutet, dass die Fehlerkomponenten in beiden Messelementen Ra und Rb, die auf dem (100)-Typ Substrat ausgebildet sind, in höherem Maße die Messelementausgangsspannung nach teilig beeinflussen.

Dagegen ist beim (110)-Typ Substrat die Verteilung der Wärmebelastungsfehlerkomponente σx in x-Richtung im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Messelemente Ra und Rb, wie in Fig. 7C gesehen werden kann. Daher beeinflusst nur eine kleine mögliche Differenz zwi schen Fehlerkomponenten in den Messelementen Ra und Rb die Messelementausgangsspannung ΔV. Das bedeutet, dass der Einfluss der Wärmebelastung auf die Messele mentausgangsspannung in dem (110)-Typ Substrat kleiner ist als in dem (100)-Typ Substrat.

Jedoch wurde in dem herkömmlichen Halbleiterdruck sensor das (100)-Typ Substrat verwendet, da seine Grenzladungsdichte, die einen Faktor für das Ein schließen von Störstellenatomen darstellt und funktio nelle Schwankungen in den Elementen verursacht, unter verschiedenen Typen von Substraten die niedrigste ist. In dem Buch " Grove's Fundamentals of Semiconductor Devices" (auf Seite 382, geschrieben von Andrew S. Grove, übersetzt von S. Tarui, veröffentlicht 1992 von McGraw-Hill in der siebten Auflage), wird gelehrt, dass ein Verhältnis der Grenzladungsdichte bei drei Typen von Substraten: (111) : (110) : (100) = 3 : 2 : 1 ist. Das bedeutet, dass die Grenzladungsdichte des (110)-Typ Substrats zweimal höher ist als die des (100)-Typ Substrats.

Trotz der obigen Lehre wurde herausgefunden, dass das (110)-Typ Substrat vermutlich als ein Substrat des Drucksensors verwendet werden kann, indem neue Her stellungsverfahren verwendet werden. Der Halbleiter drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf einem (110)-Typ Substrat ausgebildet, um dessen in oben beschriebener Untersuchung herausgefundenen Vor zug zu nutzen, das heißt der Wärmebelastungseinfluss auf die Sensorausgänge ist niedrig.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 1 bis 5 beschrie ben. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Membrantypdruck sensor S1 gemäß der vorliegenden Erfindung auf dem (110)-Typ Siliziumsubstrat 10 ausgebildet. Das Substrat 10 ist ein durch Diffusion von Phosphor (P) in Silizium (Si) hergestelltes N-Typ Halbleitersu bstrat. Das Substrat 10 ist ein rechteckig geformter Chipausschnitt von einem größeren Substrat, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Ein Hohlraum 11 ist auf der Rück seite des Substrats 10 (die Bodenseite in Fig. 1) mittels anisotropen Ätzens unter Verwendung einer al kalischen Lösung ausgebildet. Ein durch den Hohlraum 11 dünn ausgebildeter Abschnitt des Substrates 10 dient als Membran 12, die abhängig von einem angeleg ten Druck auf die Vorderseite des Substrates 10 defor miert wird. Dehnungsmessstreifen Ra, Rb, die die Mem brandeformation in elektrische Signale umwandeln, sind auf der Vorderseite (die Oberseite in Fig. 1) des Substrates 10 ausgebildet. Die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb bilden zusammen mit der Membran 12 ein Drucker fassungselement.

Eine P-Typ Diffusionsschicht, die durch Diffusion von Bor (B) oder dergleichen in Silizium (Si) herge stellt wird, bildet die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb. Die Form der Membran 12 ist in der Draufsicht achteckig, wie in Fig. 2 gezeigt. Diese achteckige Membran 12 wird durch zu den Kristallachsen <100<, <110< und <111< senkrechte Seiten definiert, wie in JP-A-4-119672 beschrieben. Dehnungsmessstreifen Ra, Rb werden bezüg lich der Kristallachsen auf dieselbe wie in Fig. 6B gezeigte Weise angeordnet. Das heißt, vier Dehnungs messstreifen Ra, Rb werden entlang der Kristallachsen <110< angeordnet, die eine hohe Empfindlichkeit auf weisen, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Dehnungsmessstrei fen Ra, Rb werden so verbunden, dass sie eine Wheatstone'sche Brücke bilden, wie in Fig. 3 gezeigt. Jeder Dehnungsmessstreifen ist ein Widerstandselement und der Widerstand der Messelemente Ra, die an einem Rand der Membran angeordnet sind, verändert sich im Ansprechen auf eine angelegte Belastung in eine andere Richtung als der der Messelemente Rb, die in einem Mittelabschnitt der Membran 12 angeordnet sind.

Eine konstante Gleichspannung V wird zwischen bei den Eingangsanschlüssen Ia und Ib der Wheatstone'schen Brücke angelegt, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Wider stand der Messelemente Ra, Rb verändert sich in Über einstimmung mit einem Verformungsbetrag der Membran 12, der durch den angelegten Druck verursacht wird, und es tritt eine Sensorausgangsspannung Vout zwischen den Ausgangsanschlüssen Pa und Pb in Abhängigkeit von dem angelegten Druck auf.

Ein Signalprozessorschaltkreis 14, der CMOS-Tran sistoren 13 beinhaltet, wird auf der Vorderseite des Substrates 10 wie in Fig. 1 gezeigt ausgebildet. Der Signalprozessorschaltkreis 14 speist die konstante Spannung V an die Wheatstone'sche Brücke und verarbei tet (verstärkt, kalibriert, etc.) die Sensorausgangs spannung Vout. Die CMOS-Transistoren 13 sind aus NMOS-Transistoren oder PMOS-Transistoren zusammengesetzt. Solche Transistoren werden durch eine Diffusion von Störstellen wie z. B. Bor oder Phosphor in Silizium und durch Ausbilden von Polysilizium-Gates G in einem bekannten Herstellungsverfahren hergestellt. Wider stände und Kapazitäten, die den Signalprozessorschalt kreis 14 zusammen mit den CMOS-Transistoren 13 bilden, werden ebenso auf der Vorderseite des Substrates 10 ausgebildet.

Der Signalprozessorschaltkreis 14 beinhaltet eben so einen Permamentspeicher, wie z. B. ein EPROM, in den Daten von außen geschrieben werden. Die Ausgangs signale des Druckerfassungselementes werden auf der Grundlage der in den Permamentspeicher geschriebenen Daten kalibriert oder eingestellt. Insbesondere Emp findlichkeit, Gegenspannung, Temperaturcharakteristik, Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung des Erfas sungselements und dergleichen werden auf der Grundlage der in den Permanentspeicher geschriebenen Daten kali briert oder eingestellt.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird ein Transistorenpaar 15a, 15b, das eine Eingangsschaltung eines Differenz verstärkers 15 im Signalprozessorschaltkreis 14 bil det, in besonderer Weise angeordnet. Das heißt, diese Transistoren werden derart angeordnet, dass ein Strom zwischen einer Drain D und einer Source S jedes Tran sistors in die gleiche Richtung fließt. Die Sensoraus gangsspannung Vout, die in den Differenzverstärker 15 gespeist wird, wird darin verstärkt und anschließend an einen Signalprozessor 16 geführt.

Der Signalprozessor 16 gibt ein endgültiges Aus gangssignal aus, nachdem die Sensorausgangsspannung eingestellt oder kalibriert wurde.

In einem in Fig. 4 gezeigten Beispiel des Diffe renzverstärkers 15 sind beide die Eingangsschaltung bildenden Transistoren 15a und 15b N-Kanal Transisto ren. Beide Transistoren 15a, 15b sind auf dem Substrat 10 angeordnet, so dass eine Stromrichtung zwischen der Source S und der Drain D in jedem Transistor parallel zu der Kristallachse <110< wird. Beide Transistoren 15a, 15b können so angeordnet werden, dass der Source-Drain-Strom jedes Transistors parallel zu einer ande ren Kristallachse <100< fließt, solange beide Richtun gen des Source-Drain-Stroms gleich sind. Beide Transi storen 15a, 15b können P-Kanal Transistoren sein.

Bezugnehmend auf Fig. 1 werden eine Gate-Oxidati onsschicht 17 zur Isolierung der Diffusionsschicht der CMOS Transistoren 13 von den Gates G, eine aus Silizi umdioxid hergestellte Isolationsschicht 18 zur Isola tion verschiedener Komponenten des Prozessorschalt kreises 14 und eine aus Siliziumnitrid hergestellte Schutzschicht 19 zum Bedecken des Äußeren des Druck sensors S1 in dieser Reihenfolge auf die Vorderseite des Substrates 10 geschichtet. In der Schutzschicht 19 wird eine Öffnung ausgebildet und in der Öffnung wird eine Anschlussfläche 20 aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet. Der Signalprozessorschaltkreis 14 ist mit einem äußeren Schaltkreis über die Anschlussfläche 20 durch Drahtbonden verbunden. Ein Glassubstrat 21 wird auf die Rückseite des Substrates 10 geklebt, um den Hohlraum 11, in dem Vakuum herrscht, hermetisch abzu schließen.

Der oben beschriebene Halbleiterdrucksensor S1 wird unter Verwendung bekannter Herstellungsverfahren hergestellt. Der so hergestellte Halbleiterdrucksensor S1 wird in ein Gehäuse 30 eingebaut, das eine Sensor baugruppe wie in Fig. 5 gezeigt ausbildet. Das Ge häuse 30 wird aus einem Material wie z. B. Kunstharz hergestellt und ein Anschluss zum elektrischen Verbin den des Drucksensors S1 mit einem äußeren Schaltkreis wird in dem Gehäuse 30 in einem Gussverfahren einge bettet. Der Drucksensor S1 wird auf eine Innenfläche des Gehäuses 30 mittels des Glassubstrates 21 geklebt. Die Anschlussfläche 20 und der Anschluss 31 sind mit tels eines Anschlussdrahtes 32 verbunden. Ein druck einführendes Röhrchen 33, durch welches ein zu messen der Druck in das Gehäuse 30 eingeführt wird, ist ein stückig mit dem Gehäuse 30 ausgebildet. Das Gehäuse 30 kann in zwei Abschnitte geteilt werden, um den Druck sensor S1 einfach auf einen Abschnitt zu montieren und die zwei Abschnitte wieder zusammenzusetzen.

Der in die Sensorbaugruppe eingeführte Druck wird an die Membran 12 des Drucksensors S1 angelegt. Die Membran 12 wird durch den angelegten Druck verformt, und die Verformung wird durch die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb in ein elektrisches Spannungssignal Vout umge wandelt. Das Spannungssignal Vout wird in dem Signal prozessorschaltkreis 14 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird durch den Anschluss 31 als ein den erfass ten Druck darstellendes Signal ausgegeben.

Wie oben beschrieben ist das Druckerfassungsele ment, das aus der Membran 12 und den Dehnungsmess streifen Ra, Rb zusammengesetzt ist, auf dem (110)-Typ Halbleitersubstrat 10 ausgebildet (nicht auf dem (100)-Typ Substrat). Die Signalprozessorschaltkreis 14, die MOS-Elemente 13 beinhaltet, ist ebenso auf dem gleichen Substrat 10 ausgebildet. Das heißt das Druckerfassungselement und der Signalprozessorschalt kreis sind einstückig auf dem gleichen (110)-Typ Substrat ausgebildet. Dementsprechend kann der Halb leiterdrucksensor S1 bei niedrigen Kosten kompakt her gestellt werden.

Da das (110)-Typ Substrat verwendet wird, ist der Wärmebelastungseinfluss auf das Sensorausgangssignal merklich niedriger als der Einfluss auf den herkömmli chen Sensor, der das (100)-Typ Substrat verwendet. Da her sind die Erfassungsfehler aufgrund von thermischer Belastung klein, und die Sensorausgangssignale können in dem Signalprozessorschaltkreis 14 einfach einge stellt oder kalibriert werden. Insbesondere erscheint der Einfluss der Wärmebelastung als eine Temperaturab hängigkeit der Gegenspannung. Das Unterdrücken des Wärmebelastungseinflusses resultiert in einer Verrin gerung der Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung. Dementsprechend ist die benötigte Ausgangseinstellung des Drucksensors der vorliegenden Erfindung klein.

Ferner ist eine Nicht-Linearität einer Gegenspan nung bezüglich der Temperatur (eine sekundäre Kompo nente der Temperaturabhängigkeit) ebenso bei dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung vergli chen mit der Nicht-Linearität des herkömmlichen Druck sensors merklich verringert. Daher ist es nicht not wendig die Nicht-Linearität zu kalibrieren. Wenn eine solche Kalibrierung benötigt wird, muss der Signalpro zessorschaltkreis 14 verfeinert werden. Bei dem Druck sensor der vorliegenden Erfindung werden genaue Sen sorausgaben nur durch Einstellung einer kleinen Tempe raturabhängigkeit (einer primäre Komponente) der Ge genspannung verwirklicht.

Ferner kann durch eine achteckige Form der Membran 12, die durch die Seiten senkrecht auf die Kristall achsen <100<, <110< und <111< definiert wird, und durch das Optimieren eines Verhältnisses der Achteck seiten zueinander, wie in der oben erwähnten JP-A-4-119672 empfohlen, der Wärmebelastungseinfluss weiter verringert und minimiert werden. Durch das Verändern der Form der Membran 12 von einer für gewöhnlich rechteckigen Form in eine achteckige, kann die in Fig. 7C gezeigte Wärmebelastungsverteilungskurve weiter abgeflacht werden. Entsprechend wird eine Wärmebela stungsdifferenz zwischen zwei Dehnungsmessstreifen Ra und Rb kleiner, und der Wärmebelastungseinfluss kann verringert werden.

Die Eingangsschaltung des in Fig. 4 gezeigten Differenzverstärkers 15 ist aus einem Transistorenpaar 15a, 15b zusammengesetzt, und beide Transistoren 15a, 15b werden so angeordnet, dass der Source-Drain-Strom in beiden Transistoren in dieselbe Richtung fließt. Der Grund für die Anordnung beider Transistoren 15a und 15b auf diese Weise wird nachstehend erläutert. Die Ausgangssignalspannungen der Dehnungsmessstreifen müssen verstärkt werden, da ihr Pegel sehr niedrig ist. Der Differenzverstärker 15 muss eine hohe Genau igkeit aufweisen, um die Spannung sehr niedrigen Pe gels zu verstärken.

Wenn ein Halbleiterchip T1 von einem (100)-Typ-Wa fer entlang seiner <110<-Kristallachse herausgeschnit ten wird, wie in Fig. 8A gezeigt, werden die Kri stallachsenrichtungen entlang beider Seiten ebenso parallel zur <110<-Achse. In diesem Fall können die Transistoren beide auf diesem Chip T1 entlang der x-Seite oder entlang der y-Seite angeordnet werden, ohne einen Kristallachsenrichtungsunterschied zwischen bei den Transistoren 15a und 15b zu verursachen. Dasselbe trifft auf einen Chip T1 zu, der aus einem (100)-Typ- Wafer entlang seiner Kristallachse <100< herausge schnitten wird, wie in Fig. 8a gezeigt. Aber der in der obigen Ausführungsform verwendete Halbleiterchip wird aus dem (110)-Typ-Wafer herausgeschnitten, so dass die x-Seiten Kristallachsenrichtung parallel zu der <110<-Achse und die y-Seiten Kristallachsenrich tung parallel zur <100<-Achse wird, wie in Fig. 2 ge zeigt. Mit anderen Worten sind die Kristallachsen in x- und y-Richtung in diesem Fall nicht gleich. Der Koeffizient des piezoelektrischen Widerstandes ver schiebt sich abhängig von der Richtung der Kristall achsen. Daher ist es nicht sichergestellt, dass ein Transistorenpaar zueinander passt, wenn beide Transi storen 15a und 15b auf dem Chip in verschiedenen Rich tungen in Bezug auf die Kristallachsen angeordnet sind. Wenn das Zueinanderpassen des Transistorenpaars, das die Eingabeschaltung des Verstärkers 15 bildet, nicht sichergestellt ist, erhöhen sich die Sensoraus gangsfehler (die Gegenspannung). Um ein gutes Zueinan derpassen des Paares von Transistoren 15a und 15b in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sicher zustellen, werden diese so angeordnet, dass die Strom flußrichtungen zwischen der Source S und der Drain D der beiden Transistoren in Bezug auf die Kristallach sen gleich sind. Auf diese Weise verstärkt der Ver stärker 15 ein Signal niedrigen Pegels mit einer hohen Genauigkeit.

Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Permanentspeicher in der Signalprozessorschaltkreis 14 enthalten. Daten zur Einstellung der Sensorsignale können von außen in den Permanentspeicher geschrieben werden, selbst nachdem die Sensorbaugruppe fertigge stellt ist. Dementsprechend können Sensorsignalfehler aufgrund der Schwankungen im Herstellungsverfahren auf der Grundlage der in den Permanentspeicher geschriebe nen Daten einfach korrigiert werden.

Insoweit zusammenfassend wurde somit ein Halblei tersensor mit Signalprozessorschaltkreis beschrieben, bei welchem eine Membran (12), die sich abhängig von einem daran angelegten Druck verformt, und ein Signal prozessorschaltkreis (14) auf einem Halbleitersubstrat (10) ausgebildet sind, das eine (110)-Flächenorientie rung aufweist. Dehnungsmessstreifen (Ra, Rb), die die Membranverformung in ein elektrisches Signal (Vout) umwandeln und eine Brückenschaltung ausbilden, sind auf der Membran ausgebildet. Das elektrische Signal der Brückenschaltung wird durch die Signalprozessor schaltkreis (14) verarbeitet. Ein Transistorenpaar (15a, 15b), das in dem Signalprozessorschaltkreis eine Eingangsschaltung eines Verstärkers (15) bildet, ist auf dem Substrat (10) angeordnet, um deren Source-Drain-Stromrichtungen auszugleichen. Ein Wärmebela stungseinfluss auf den Sensorausgang wird minimiert, da Sensorkomponenten auf dem Substrat (10) ausgebildet sind, die eine (110)-Flächenorientierung aufweisen, und dadurch der an der Membran (12) angelegte Druck genau erfasst wird.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt, sondern kann auf verschiedene Art und Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Signalprozessorschaltkreis 14 aus einer Bi-CMOS-Schaltung zusammengesetzt werden, die Bipolar-Transistoren und CMOS-Transistoren beinhaltet.

Obgleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die vorgehende bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass Änderungen an Form und Detail vorgenommen werden kön nen, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen beschrieben ist, zu verlassen.

Claims

1. Ein Halbleiterdrucksensor mit:
einem Halbleitersubstrat (10), das eine (110)-Flä chenorientierung aufweist;
einem Druckerfassungselement (12, Ra, Rb), das auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wobei das Druckerfassungselement ein elektrisches Signal (Vout) abhängig von einem daran angelegten Druck ausgibt; und
einem Signalprozessorschaltkreis (14), das auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete CMOS-Elemente beinhal tet zur Verarbeitung des von dem Druckerfassungsele ment ausgegebenen elektrischen Signals (Vout), wobei der Signalprozessorschaltkreis (14) eine Verstärker schaltung (15) beinhaltet, die eine Eingangsschaltung aufweist, die aus einem Transistorenpaar (15a, 15b) zusammengesetzt ist, von welcher das von dem Drucker fassungselement ausgegebene elektrische Signal in die Verstärkerschaltung eingegeben wird, wobei das Transi storenpaar (15a, 15b) auf dem Halbleitersubstrat ange ordnet ist, so dass Strom zwischen einer Source (S) und einer Drain (D) von beiden Transistoren in die selbe Richtung fließt.

2. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckerfassungselement eine Membran (12), die im Ansprechen auf den daran angelegten Druck verformt wird, und Dehnungsmessstreifen (Ra, Rb) beinhaltet, die auf der Membran als eine Diffusionsschicht ausge bildet sind, wobei die Dehnungsmessstreifen die Mem branverformung in das elektrische Signal umwandeln.

3. Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) eine achteckige ebene Form auf weist.

4. Halbleiterdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalprozessorschaltkreis (14) Bi-CMOS-Schaltungen beinhaltet.

5. Halbleiterdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalprozessorschaltkreis (14) einen Perma nentspeicher beinhaltet, in den von außen Daten ge schrieben werden, und das vom Druckerfassungselement ausgegebene elektrische Signal (Vout) auf der Grund lage der in den Permanentspeicher geschriebenen Daten eingestellt wird.

6. Halbleiterdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Transistorenpaar (15a, 15b), das die Eingangs schaltung des Verstärkers (15) bildet, auf dem Halb leitersubstrat (10) so angeordnet ist, dass Strom zwi schen einer Source (S) und einer Drain (D) der beiden Transistoren in einer Richtung parallel zu einer <110<-Kristallachse des Halbleitersubstrats fließt.