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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdrucksensor, welcher ein Diaphragma aufweist.
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Ein Halbleiterdrucksensor, welcher ein Diaphragma aufweist (d. h. ein Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps) enthält ein Diaphragma und einen Verformungsmeßwiderstand. Sowohl das Diaphragma als auch der Verformungsmeßwiderstand sind zur Erfassung eines Drucks auf einem Halbleitersubstrat gebildet. Das Substrat besitzt eine Hauptebene einer (110)-Kristallebene (d. h. eine (110)-Ebene). Dieser Drucksensor wird beispielsweise in der
JP 2001 356 061 A (entsprechend der
US 6 601 452 B1 ) offenbart. Insbesondere ist das Diaphragma auf der Hauptebene des Substrats gebildet und erfaßt einen Druck. Der Verformungsmeßwiderstand ist auf dem Diaphragma gebildet und bildet eine Brückenschaltung zur Aufgabe eines erfaßten Signals entsprechend einer Verformung des Diaphragmas.
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Dabei wird ein anderer Drucksensor, welcher ein Paar von Mittenmeßwiderständen und ein Paar von Seitenmeßwiderständen aufweist, in der
JP 11 94666 A (entsprechend der
US 6 595 065 B1 ) offenbart. Bei diesem Sensor sind die Verformungsmeßwiderstände, d. h. die Mitten- und Seitenmeßwiderstände, auf der (110)-Ebene des Substrats angeordnet. Die Mittenmeßwiderstände sind auf dem Diaphragma in der Mitte und entlang einer <110>-Kristallachse (d. h. einer <110>-Achse) angeordnet. Die Seitenmeßwiderstände sind auf dem Diaphragma am Rand angeordnet.
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Bei den obigen Sensoren ist eine Glasbasis bzw. ein Glassockel (glass base) auf das Substrat unter Anwendung eines anodischen Bondverfahrens und dergleichen gebondet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats unterscheidet sich von demjenigen des Glassockels. Wenn daher die Temperatur um den Sensor herum sich ändert, wird eine thermische Spannung zwischen dem Substrat und dem Glassockel erzeugt. Die thermische Spannung kann das Diaphragma verformen, so daß sich der Widerstandswert jedes auf dem Diaphragma angeordneten Widerstands proportional zu der Verformung ändert. Die jedem Widerstand aufgebrachte thermische Spannung ist unterschiedlich, da der Widerstand auf einer unterschiedlichen Position auf dem Diaphragma angeordnet ist. Insbesondere unterscheidet sich die thermische Spannung, welche jedem Mittenmeßwiderstand aufgebracht wird, von der thermischen Spannung, welche jedem Seitenmeßwiderstand aufgebracht wird. Somit liefert ein Unterschied zwischen der thermischen Spannung, welche dem Mittenmeßwiderstand aufgebracht wird, und der thermischen Spannung, welche dem Seitenmeßwiderstand aufgebracht wird, einen Erfassungsfehler als Rauschen. Des weiteren ändert sich der Unterschied der thermischen Spannung in Bezug auf die Temperatur nichtlinear, so daß die Temperaturabhängigkeit eines Offsets der Ausgangsspannung in Bezug auf die Temperatur eine bestimmte Krümmung aufweist. Daher unterscheidet sich bei der Temperaturabhängigkeit des Offsets der Ausgangsspannung eine Neigung des Offsets der Ausgangsspannung in Bezug auf die Temperatur zwischen einer Raumtemperatur und einer bestimmten hohen Temperatur von derjenigen zwischen einer bestimmten Temperatur und der Raumtemperatur. Dieser Unterschied der Neigung wird als Charakteristik eines nichtlinearen Temperaturoffsets (TNO: temperature nonlinearity offset) bezeichnet. Die TNO-Charakteristik ist eine Charakteristik des Offsets der Ausgangsspannung, welche einen nichtlinearen Bezug zu der Temperatur aufweist. Die TNO-Charakteristik ist eine der wichtigsten Faktoren für die Bestimmung der Genauigkeit des Sensors.
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Wenn des weiteren der Drucksensor bezüglich der Größe minimiert wird, d. h., es wird das Substrat minimiert, wird in Betracht gezogen, das Diaphragma zu minimieren. Der Grund dafür besteht darin, daß das Diaphragma einen großen Bereich in dem Sensor beansprucht. In diesem Fall wird der Unterschied der thermischen Spannung zwischen den Mittenmeßwiderständen und den Seitenmeßwiderständen größer, so daß der Erfassungsfehler größer wird. Somit wird dann, wenn das Diaphragma kleiner wird, die TNO-Charakteristik schlechter, d. h., der Unterschied der Neigung wird größer. Daher ist es schwierig, den Sensor zu minimieren, ohne daß eine Verschlechterung der TNO-Charakteristik auftritt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten einen Halbleiterdrucksensor zu schaffen, welcher eine hohe Erfassungsgenauigkeit besitzt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Ein Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat, welches ein Diaphragma zur Aufnahme eines Drucks aufweist, und eine Brückenschaltung zur Erfassung einer Verformung des Diaphragmas entsprechend dem Druck. Die Brückenschaltung enthält ein Paar erster Meßwiderstände und ein Paar zweiter Meßwiderstände. Die ersten Meßwiderstände sind auf dem Diaphragma in der Mitte angeordnet, und die zweiten Meßwiderstände sind auf dem Diaphragma am Rand angeordnet. Jeder erste Meßwiderstand besitzt einen ersten Widerstandswert, welcher größer als ein zweiter Widerstandswert von jedem zweiten Meßwiderstand ist.
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Obwohl bei dem obigen Sensor die dem ersten Meßwiderstand aufgebrachte thermische Spannung sich von derjenigen, welche dem zweiten Meßwiderstand aufgebracht wird, in einem Fall unterscheidet, bei welchem die thermische Spannung dem Sensor aufgebracht wird, wird ein Erfassungsfehler entsprechend dem Unterschied zwischen den thermischen Spannungen durch Steuern der Widerstandswerte der Mitten- und Seitenmeßwiderstände kompensiert. Daher besitzt der Sensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit.
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Die Brückenschaltung besitzt ein vorbestimmtes Verhältnis des Widerstandswerts zwischen dem zweiten Widerstandswert und dem ersten Widerstandswert, und das Diaphragma besitzt ein anderes vorbestimmtes Verhältnis der thermischen Spannung zwischen einer zweiten thermischen Spannung, welche dem zweiten Meßwiderstand aufzubringen ist, und einer ersten thermischen Spannung, welche dem ersten Meßwiderstand aufzubringen ist, in einem Fall, bei welchem eine thermische Spannung dem Substrat aufgebracht wird. Das vorbestimmte Verhältnis des Widerstandswerts ist gleich dem vorbestimmten Verhältnis der thermischen Spannung.
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Vorzugsweise sind die ersten Meßwiderstände und die zweiten Meßwiderstände derart in Reihe miteinander verbunden, daß die Brückenschaltung eine wheatstonesche Brücke bildet. Jeder zweite Meßwiderstand enthält des weiteren einen dritten Meßwiderstand, welcher einen dritten Widerstandswert aufweist und auf dem Diaphragma am Rand angeordnet ist. Die zweiten und dritten Meßwiderstände sind integriert in Reihe derart verbunden, daß die zweiten und dritten Meßwiderstände einen Meßwiderstand bilden. Der erste Widerstandswert ist gleich einem Gesamtwiderstandswert der zweiten und dritten Widerstandswerte. In diesem Fall wird die TNO-Charakteristik des Sensors derart verbessert, daß die Offsetspannung der Brückenschaltung in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem Sensor aufgebracht wird. Somit kann eine feine Widerstandswertänderung entsprechend einem dem Sensor aufgebrachten feinen Druck derart erfaßt werden, daß der Sensor eine viel höhere Erfassungsgenauigkeit aufweist.
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Vorzugsweise wird das Halbleitersubstrat aus einkristallinem Silizium gebildet, welches eine Hauptebene einer (110)-Kristallebene besitzt. Der erste Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtung entlang einer <110>-Kristallachse des einkristallinen Siliziums, der zweite Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtung entlang der <110>-Kristallachse des einkristallinen Siliziums, und der dritte Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtung entlang einer <100>-Kristallachse des einkristallinen Siliziums. Vorzugsweise besitzt jeder Meßwiderstand eine gefaltete Struktur eines Drahtwiderstands derart, daß der Drahtwiderstand parallel zu der <110>-Kristallachse oder zu der <100>-Kristallachse befindlich ist, und das Diaphragma besitzt eine achteckige Form mit einem Paar von Seiten entlang der <110>-Kristallachse, einem Paar von Seiten entlang der <100>-Kristallseite und vier Seiten zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Seite entlang der <110>-Kristallachse und der Seite entlang der <100>-Kristallachse.
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Vorzugsweise enthält der Sensor des weiteren eine Austiefung bzw. Konkavität, welche in dem Substrat angeordnet ist, um das Diaphragma vorzusehen; und eine Glasbasis bzw. einen Glassockel (glass base), welcher auf dem Substrat angeordnet ist. Die Meßwiderstände sind auf der ersten Oberfläche des Substrats angeordnet, und der Glassockel ist an der zweiten Oberfläche des Substrats befestigt, um eine Kammer zwischen dem Glassockel und der Austiefung zu bilden. Vorzugsweise ist die Kammer derart verschlossen, daß der Sensor einen Absolutdrucksensor bildet, und die Meßwiderstände sind aus einem Diffusionswiderstand gebildete Verformungsmeßwiderstände.
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Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterdrucksensor einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 zeigt eine Draufsicht, welche den Sensor der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
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3 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung des Sensors der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
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4 zeigt eine Draufsicht, welche einen Halbleitersensor entsprechend einer Vergleichsanordnung der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
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5 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung des Sensors der Vergleichsanordnung darstellt; und
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6A zeigt eine Beziehung zwischen einer thermischen Spannung und einer Position des Sensors der Vergleichsanordnung, und 6B zeigt eine Querschnittsansicht, welche den Sensor des Vergleichs darstellt.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einleitend einen Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps als Vergleich wie in 4 dargestellt studiert. Der Drucksensor 200 enthält ein Halbleitersubstrat 10, ein Diaphragma 30 und viele Verformungsmeßwiderstände 41–44. Das Diaphragma 30 ist auf einer Hauptebene des Substrats 10 gebildet. Die Widerstände 41–44 sind auf dem Diaphragma 30 angeordnet. Die Hauptebene des Substrats 10 ist eine (110)-Kristallebene (d. h. eine (110)-Ebene), welche eine Kristallebene von einkristallinem Silizium ist, welches eine <110>-Kristallachse (d. h. ein <110>-Achse) und eine <100>-Kristallachse (d. h. eine <100>-Achse) aufweist. Die <110>-Achse und die <100>-Achse bilden ein Paar von Kristallachsen, welche einen rechten Winkel miteinander bilden, d. h. die <110>-Achse ist senkrecht zu der <100>-Achse ausgerichtet.
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Die Empfindlichkeit in einem Fall einer entlang der <110>-Achse erzeugten Belastung ist größer als die Empfindlichkeit in einem Fall einer entlang der <100>-Achse erzeugten Belastung. Es wird nämlich die Belastung parallel zu der <110>-Achse empfindlich im Vergleich mit der Belastung parallel zu der <100>-Achse erfaßt. Dies liegt daran, daß der Koeffizient des piezoelektrischen Widerstandswerts entlang der <110>-Achse wesentlich größer als derjenige entlang der <100>-Achse ist. Es wird daher dann, wenn eine Verformung in dem Diaphragma mit der (110)-Ebene derart gemessen wird, daß der dem Diaphragma aufgebrachte Druck erfaßt wird, bevorzugt, daß die Verformung unter Verwendung der Belastung entlang der <110>-Achse und nicht entlang der <100>-Achse gemessen wird.
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Die (110)-Ebene besitzt lediglich eine <110>-Achse, d. h. eine <110>-Richtung. Es wird daher verlangt, daß die Widerstände 41–44 eine in 4 dargestellte bestimmte Anordnung dahingehend besitzen, daß das erfaßte Signal größer wird, d. h., daß das Ausgangssignal entsprechend der Verformung größer wird. Die in 4 dargestellte Anordnung ist derart bestimmt, daß die Belastung entlang der <110>-Achse mit einer hohen Empfindlichkeit im Vergleich mit der Belastung entlang der <100>-Achse erfaßt werden kann. Insbesondere ist die Anordnung derart ausgebildet, daß ein Paar von Mittenmeßwiderständen 41, 44 auf dem Diaphragma nahezu in der Mitte angeordnet ist und ein Paar von Seitenmeßwiderständen 42, 43 auf dem Diaphragma 30 an dem Rand angeordnet ist. Jeder Widerstand 41–44 ist hauptsächlich entlang der <110>-Achse angeordnet. Es sind dabei die Mittenmeßwiderstände 41, 44 nahe der Mitte angeordnet, und es sind die Seitenmeßwiderstände 42, 43 an dem Rand im Vergleich mit den Mittenmeßwiderständen 41, 44 angeordnet. Eine Längsrichtung des Widerstands 41–44 ist hauptsächlich parallel zu der <110>-Achse des Substrats 10 befindlich.
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Die vier Meßvorrichtungen bilden eine Brückenschaltung zur Erfassung der entlang der <110>-Achse gebildeten Belastung. Insbesondere ist die Brückenschaltung wie in 5 dargestellt eine wheatstonesche Brücke. Die wheatstonesche Brücke enthält die Widerstände 41–44. Ein Mittenmeßwiderstand 41 besitzt einen Widerstandswert RA, und der andere Mittenmeßwiderstand 44 besitzt einen Widerstandswert RD. Ein Seitenmeßwiderstand 42 besitzt einen Widerstandswert RB, und der andere Seitenmeßwiderstand 43 besitzt einen Widerstandswert RC. Diese Widerstände 41–44 sind derart in Reihe geschaltet, daß die Widerstände eine rechtwinklig geformte, geschlossene Schaltung bilden. Somit ist die wheatstonesche Brücke gebildet.
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In der Brückenschaltung sind als Paar vorkommende Eingangsanschlüsse 45, 46 mit der Brückenschaltung derart verbunden, daß ein elektrischer Gleichstrom der Brückenschaltung aufgebracht wird. Der Gleichstrom I fließt zwischen den Anschlüssen 45, 46. Wenn zu dieser Zeit das Diaphragma durch den Druck verformt wird, ändern sich die Widerstandswerte RA, RB, RC, RD entsprechend der Verformung des Diaphragmas 30. Daher wird ein Mittenwertpotential (midpoint potential) Vout zwischen einem Paar von Ausgangsanschlüssen 47, 48 erzeugt. Das Mittenwertpotential Vout entspricht der Verformung des Diaphragmas 30, d. h. dem Druck, wobei ein erfaßtes Signal als Mittenwertpotential Vout an den Ausgangsanschlüssen 47, 48 ausgegeben wird.
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Bei dem obigen Sensor 200 wird die dem Substrat 10, d. h. dem Diaphragma 30, aufgebrachte thermische Spannung unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens (FEM, finite element method) analysiert. Insbesondere wird die den Mitten- und Seitenmeßwiderständen aufgebrachte thermische Spannung berechnet. 6 stellt ein Ergebnis einer Berechnung der thermischen Spannung σ2 auf dem Substrat 10 dar. Die den Mittenmeßwiderständen 41, 44 aufgebrachte thermische Spannung σ1, welche auf dem Diaphragma 30 in der Mitte angeordnet sind, ist kleiner als die den Seitenmeßwiderständen 42, 43, welche auf dem Diaphragma 30 an dem Rand angeordnet sind, aufgebrachte thermische Spannung σ2.
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Dabei ist die Widerstandswertänderung des Widerstands 41–44 in Beziehung zu der thermischen Spannung im wesentlichen proportional zu dem Widerstandswert des Widerstands 41–44. Daher wird erwogen, daß die Widerstandswerte RB, RC der Seitenmeßwiderstände 42, 43 auf einen kleineren Wert festgesetzt werden, als die Widerstandswerte RA, RD der Mittenmeßwiderstände 41, 44, so daß die Widerstandswertänderung der Widerstände 42, 43 gleich der Widerstandswertänderung der Widerstände 41, 44 wird. Somit wird die TNO-Charakteristik des Sensors 200 verbessert.
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Im Hinblick auf die obige Analyse wird ein Halbleiterdrucksensor mit einem Diaphragma (d. h. ein Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps) 100 einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie in 1 und 2 dargestellt geschaffen. Der Sensor 100 enthält das Halbleitersubstrat 10, das Diaphragma 30 und eine Glasbasis bzw. einen Glassockel 40. Das Diaphragma 30 ist auf dem Substrat 10 gebildet. Das Substrat 10 ist aus einkristallinem Silizium gebildet. Eine Vorderseitenoberfläche 12 des Substrats 10 als Hauptebene besitzt die (110)-Kristallebene (d. h. die (110)-Ebene). Eine Rückseitenoberfläche 11 des Substrats besitzt ebenfalls die (110)-Ebene. Daher besitzen beide Hauptebenen 11, 12 eine planare Ausrichtung (110).
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Das Substrat 10 enthält eine Austiefung bzw. Konkavität 20, welche auf der Rückseitenoberfläche 11 angeordnet ist. Die Austiefung 20 bildet das Diaphragma 30 zum Erfassen eines darauf aufgebrachten Drucks. Insbesondere besitzt ein Teil des Substrats 10, welches auf der Austiefung 20 angeordnet ist, einen dünnen Abschnitt derart, daß das Diaphragma 30 gebildet ist. Viele Widerstände 41–44 sind auf der Vorderseitenoberfläche 12 des dünnen Abschnitts, d. h. auf dem Diaphragma 30, angeordnet.
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Wie in 2 dargestellt besitzt das Diaphragma 30 eine achteckige Form. Insbesondere besitzt das Diaphragma 30 ein Paar von Seiten entlang der <110>-Achse und ein Paar von Seiten entlang der <100>-Achse. Des weiteren besitzt das Diaphragma 30 vier Seiten für eine Verbindung zwischen der Seite entlang der <110>-Achse und der Seite entlang der <100>-Achse.
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Die Verformungsmeßwiderstände 41–44 sind auf der Vorderseitenoberfläche 12 des Substrats 10 gebildet. Die Verformungsmeßwiderstände 41–44 liefern die Brückenschaltung zum Erfassen der Verformung des Diaphragmas 30 und zur Ausgabe eines Erfassungssignals. Die Widerstände 41–44 sind unter Verwendung eines Implantationsverfahrens, eines Diffusionsverfahrens und dergleichen gebildete Diffusionsmeßwiderstände. Die Längsrichtung jedes Widerstands 41–44 ist entlang der <110>-Achse des Substrats 10 gelegen. Insbesondere besitzt der Widerstand 41–44 eine gefaltete Struktur eines Drahtwiderstands. Die Längsrichtung des Drahtwiderstands ist parallel zu der <110>-Richtung gelegen.
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Die Widerstände 41–44 setzen sich zusammen aus einem Paar von Mittenmeßwiderständen 41, 44 und einem Paar von Seitenmeßwiderständen 42, 43. Die Mittenmeßwiderstände 41, 44 sind auf dem Diaphragma 30 in der Mitte angeordnet, und die Seitenmeßwiderstände 42, 43 sind auf dem Diaphragma 30 am Rand angeordnet. Jeder Seitenmeßwiderstand 42, 43 enthält den ersten Meßwiderstand 42a, 43a und den zweiten Meßwiderstand 42b, 43b. Die Längsrichtung des ersten Meßwiderstands 42a, 43a ist entlang der <110>-Achse gelegen, und die Längsrichtung des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b ist entlang der <100>-Achse gelegen. Die ersten und zweiten Meßwiderstände 42a, 42b, 43a, 43b sind in Reihe miteinander verbunden.
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Die Widerstände 41–44 sind mit einem (nicht dargestellten) Draht miteinander verbunden, welcher aus einer Diffusionsschicht und dergleichen gebildet ist, so daß die Widerstände 41–44 wie in 3 dargestellt eine Brückenschaltung bilden. Ein Mittenmeßwiderstand 41 besitzt einen Widerstandswert RA, und der andere Mittenmeßwiderstand 44 besitzt einen Widerstandswert RD. Der erste Meßwiderstand 42a des einen Seitenmeßwiderstands 42 besitzt einen Widerstandswert RB1, und der zweite Widerstand 42b des einen Seitenmeßwiderstands 42 besitzt einen Widerstandswert RB2. Daher ergibt sich der Gesamtwiderstandswert RB des einen Seitenmeßwiderstands 42 durch RB1 + RB2. Der erste Meßwiderstand 43a des anderen Seitenmeßwiderstands 43 besitzt einen Widerstandswert RC1, und der zweite Widerstand 43b des anderen Seitenmeßwiderstands 43 besitzt einen Widerstandswert RC2. Daher ergibt sich der Gesamtwiderstandswert RC des anderen Seitenmeßwiderstands 43 zu RC1 + RC2. Diese Widerstände 41–44 sind miteinander in Reihe derart verbunden, daß die Widerstände eine rechtwinklig geformte geschlossene Schaltung bilden. Somit wird die wheatstonesche Brücke derart gebildet, daß die entlang der <110>-Achse gebildete Spannung durch die Brückenschaltung erfaßt wird.
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Bei den Seitenmeßwiderständen 42, 43 ist die Längsrichtung des ersten Meßwiderstands 42a, 43a entlang der <110>-Achse des Substrats 10 derart gelegen, daß der erste Meßwiderstand 42a, 43a die Belastung erfassen kann. Insbesondere wird der erste Meßwiderstand 42a, 43a zu einem belastungsempfindlichen Meßwiderstand, welcher eine Empfindlichkeit gegenüber der Belastung, d. h. der Belastungsänderung, besitzt. Die Längsrichtung des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b ist entlang der <100>-Achse des Substrats 10 derart angeordnet, daß der zweite Meßwiderstand 42b, 43b die Belastung im wesentlichen nicht erfassen kann. Insbesondere wird der zweite Meßwiderstand 42b, 43b zu einem belastungsunempfindlichen Meßwiderstand, welcher im wesentlichen keine Empfindlichkeit gegenüber der Belastungsänderung besitzt.
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In der in 3 dargestellten Brückenschaltung sind in einem Paar vorkommende Eingangsanschlüsse 45, 46 mit der Brückenschaltung derart verbunden, daß ein Gleichstrom der Brückenschaltung aufgebracht wird. Der Gleichstrom I, d. h. der konstante Gleichstrom I, fließt zwischen den Anschlüssen 45, 46. Wenn zu dieser Zeit das Diaphragma 30 unter dem Druck verformt wird, ändern sich die Widerstandswerte RA, RB1, RC1, RD entsprechend der Verformung. Daher wird das Mittenwertpotential Vout zwischen einem Paar von Ausgangsanschlüssen 47, 48 erzeugt. Das Mittenwertpotential Vout entspricht der Verformung des Diaphragmas 30, d. h. dem Druck, derart, daß das erfaßte Signal als das Mittenwertpotential Vout an den Ausgangsanschlüssen 47, 48 ausgegeben wird.
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Wie in 1 dargestellt ist bei dem obigen Sensor 100 der Glassockel 40 auf das Substrat 10 unter Verwendung des anodischen Bondverfahrens und dergleichen gebondet. Insbesondere ist der Glassockel 40 auf die Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 gebondet. Bei dieser Ausführungsform ist die Austiefung 20 mit dem Glassockel 40 derart verschlossen, daß die Austiefung 20 zu einer Bezugsdruckkammer für die Bereitstellung des Bezugsdrucks wird. Somit bildet der Sensor 100 einen Absolutdrucksensor.
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Obwohl die Austiefung 20 vollständig in dem Sensor 100 verschlossen ist, kann der Sensor 100 ein anderer Typ eines Drucksensors sein, welcher einen Druckeinfügungsdurchgang für eine Verbindung zwischen der Außenseite und der Austiefung 20 enthält. In diesem Fall wird ein Druck als Meßobjekt durch den Durchgang in die Austiefung derart eingeführt, daß der Druck dem Diaphragma 30, d. h. der Rückseitenoberfläche des Diaphragmas 30, aufgebracht wird.
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Der Sensor 100 wird wie folgt hergestellt. Das Substrat 10, welches die (110)-Ebene als Hauptebene besitzt, wird vorbereitet. Sowohl die Vorderseitenoberfläche 12 als auch die Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 liegt in der (110)-Ebene. Die Verformungsmeßwiderstände 41–44 und verschiedene Arten von Drähten werden auf der Vorderseitenoberfläche 12 des Substrats 10 unter Verwendung eines Halbleiterherstellungsverfahrens wie des Ionenimplantierungsverfahrens und des Diffusionsverfahrens gebildet. Dabei besitzen die in 2 dargestellten Seitenmeßwiderstände 42, 43 des Sensors 100 unterschiedliche Strukturen, welche sich von jenen des in 4 dargestellten Sensors 200 unterscheiden. Es ist jedoch leicht, die Widerstände 42, 43 des in 2 dargestellten Sensors unter Verwendung einer unterschiedlichen Maske im Falle des Ionenimplantierungsverfahrens zu bilden. Insbesondere besitzt die Maske eine vorbestimmte Öffnung, bei welcher die Struktur den Seitenmeßwiderständen 42, 43 entspricht, welche die ersten bzw. zweiten Meßwiderstände 42a, 42b, 43a, 43b aufweisen.
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Danach wird eine (nicht dargestellte) Ätzmaske zum Ätzen der Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 auf der Rückseitenoberfläche 11 gebildet. Die Ätzmaske enthält eine Öffnung, welche eine vorbestimmte Struktur entsprechend der Austiefung 20 besitzt. Die Ätzmaske wird aus einem Siliziumnitridfilm hergestellt, welcher unter Verwendung des CVD-Verfahrens und dergleichen gebildet wird. Nachdem die Ätzmaske auf der Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 gebildet worden ist, wird die Rückseitenoberfläche 11 derart geätzt, daß die Austiefung 20 auf dem Substrat 10 gebildet wird. Somit wird das Diaphragma 30 auf der Vorderseitenoberfläche 12 des Substrats 10 gebildet. Die Rückseitenoberfläche 11 wird mit einem anisotropen Ätzverfahren unter Verwendung eines alkalischen Ätzmittels (d. h. einer Ätzlösung) wie einem KOH-Ätzmittel (d. h. einer Kaliumhydroxidlösung) und einem TMAH-Ätzmittel (d. h. einer Tetramethylammoniumhydroxidlösung) geätzt.
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Somit ist das Substrat 10 fertiggestellt, welches die Verformungsmeßwiderstände 41–44 und das Diaphragma 30 aufweist. Danach wird die Ätzmaske unter Verwendung eines Ätzverfahrens und dergleichen entfernt. Danach wird der Glassockel 40 auf das Substrat 10 unter Verwendung des anodischen Bondverfahrens und dergleichen gebondet.
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Bei den Seitenmeßwiderständen 42, 43 wird der erste Meßwiderstand 42a, 43a zu dem belastungsunempfindlichen Meßwiderstand, welcher im wesentlichen keine Empfindlichkeit gegenüber der Belastungsänderung aufweist. Jeder Widerstandswert RB1, RC1 der ersten Meßwiderstände 42a, 43a wird auf einen kleineren Wert als den Widerstandswert RA, RD der Mittenmeßwiderstände 41, 44 festgelegt. Daher ist das Ausgangssignal von dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 entsprechend der großen thermischen Spannung sogar dann nahezu gleich dem Ausgangssignal von dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 entsprechend der kleinen thermischen Spannung, wenn die thermische Spannung dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebracht wird, welche größer als diejenige ist, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebracht wird. D. h., der Unterschied zwischen der thermischen Spannung, welche dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebracht wird, und der thermischen Spannung, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebracht wird, wird im wesentlichen durch Steuern der Widerstandswerte RA, RB1, RC1, RD kompensiert.
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Beispielsweise ist eine Längsseite (d. h. eine Länge) L des Diaphragmas 30 gleich einer Querseite (d. h. einer Breite) L des Diaphragmas 30 wie in 1 dargestellt. Die Länge L und die Breite L betragen jeweils 450 μm. In diesem Fall beträgt die thermische Spannung σ1, welche an den Mittenmeßwiderstand 41, 44 angelegt wird, etwa 70% der thermischen Spannung σ2, welche an den Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt wird. Dieses Ergebnis wurde von den Erfindern unter Verwendung des FEM wie in 6 dargestellt erzielt. Daher wird der Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a auf 70% des Widerstandswerts RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44 festgelegt. D. h., es gilt RB1 = RC1 = 0,7 × RD = 0,7 × R und RB2 = RC2 = 0,3 × RA = 0,3 × RD = 0,3 × R.
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Im allgemeinen ist die Widerstandswertänderung des Verformungsmeßwiderstands entsprechend der thermischen Spannung proportional zu dem Widerstandswert des Widerstands. Daher ist die Widerstandswertänderung des Seitenmeßwiderstands 42, 43 nahezu gleich derjenigen des Mittenmeßwiderstands 41, 44, wenn die thermische Spannung dem Sensor 100 aufgebracht wird.
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Im allgemeinen wird der Widerstandswert des Mittenmeßwiderstands gleich demjenigen des Seitenmeßwiderstands festgelegt, so daß vier Widerstände, welche die Brückenschaltung bilden, nahezu gleich sind, so daß die Offsetspannung der Brückenschaltung leicht in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem Sensor aufgebracht wird (d. h., der aufgebrachte Druck ist gleich Null). Daher kann eine feine Widerstandswertänderung entsprechend einem feinen Druck, welcher dem Sensor aufgebracht wird, erfaßt werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43, welcher sich zusammensetzt aus dem Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a und dem Widerstandswert RB2, RC2 des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b, gleich dem Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44. Demgegenüber wird der gesamte Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43 in den Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a und in den Widerstandswert RB2, RC2 des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b unterteilt. Der Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a wird kleiner als der Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44. Insbesondere ist der gesamte Widerstandswert (d. h. 0,7 × R + 0,3 × R) des Seitenmeßwiderstands 42, 43 gleich dem Widerstandswert (d. h. R) des Mittenmeßwiderstands 41, 44). D. h., es gilt RB1 + RB2 = RC1 + RC2 = RA = RD. Daher sind die Widerstandswerte RA, RB, RC, RD der vier Widerstände 41–44, welche die Brückenschaltung bilden, im wesentlichen gleich, d. h. R, so daß die Offsetspannung der Brückenschaltung leicht in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem Sensor aufgebracht wird (d. h. bei welchem der aufgebrachte Druck gleich Null ist). Daher kann eine feine Widerstandsänderung entsprechend einem feinen Druck, welcher dem Sensor aufgebracht wird, erfaßt werden. Wenn demgegenüber der Sensor 100 nicht die zweiten Meßwiderstände 42b, 43b enthält, wird der Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43 unterschiedlich zu dem Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44. Daher wird die Offsetspannung des Sensors 100 in einem Fall groß, bei welchem der Druck gleich Null ist, so daß die Offsetspannung durch eine Signalprozessorschaltung nicht kompensiert wird.
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Obwohl die thermische Spannung σ1, welche an den Mittenmeßwiderstand 41, 44 angelegt wird, etwa 70% der thermischen Spannung σ2, welche an den Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt wird, bei diesem Sensor 100 beträgt, kann das Verhältnis der thermischen Spannung, welche zwischen dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 und dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt wird, unterschiedlich werden, wenn die Dimensionen des Diaphragmas 30, die Form des Diaphragmas 30, die Dimensionen der Widerstände 41–44 und/oder die Form der Widerstände 41–44 unterschiedlich ist. Daher ist es notwendig, das Verhältnis der thermischen Spannung in jedem Sensor, welcher ein unterschiedliches Diaphragma und/oder unterschiedliche Verformungsmeßwiderstände aufweist, unter Verwendung der FEM-Analyse zu berechnen. D. h., es ist notwendig, das Verhältnis des Widerstandswerts RB1, RC1 und des Widerstandswerts RA, RD unter Verwendung der FEM-Analyse in einem Fall zu berechnen, bei welchem ein Sensor eine unterschiedliche Konstruktion aufweist, die sich von derjenigen des in 2 dargestellten Sensors 100 unterscheidet. Obwohl bei dem obigen Sensor 100 die thermische Spannung σ1, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebracht wird, sich von der thermischen Spannung σ2 unterscheidet, welche dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebracht wird, ist die Widerstandswertänderung des Mittenmeßwiderstands 41, 44 im wesentlichen an die Widerstandswertänderung des Seitenmeßwiderstands 42, 43 angeglichen. Somit ist die TNO-Charakteristik des Sensors 100 verbessert. Daher besitzt der Drucksensor 100 sogar dann eine hohe Erfassungsgenauigkeit, wenn der Sensor 100 minimiert ist.
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Derartige Änderungen und Modifizierungen werden als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, welche durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
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Vorstehend wurde ein Halbleiterdrucksensor mit einem Diaphragma offenbart. Der Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat (10), welches ein Diaphragma (30) zur Aufnahme eines Drucks und eine Brückenschaltung zum Erfassen einer Verformung des Diaphragmas (30) entsprechend dem Druck aufweist. Die Brückenschaltung enthält ein Paar erster Meßwiderstände (41, 44) und ein Paar zweiter Meßwiderstände (42a, 43a). Die ersten Meßwiderstände (41, 44) sind auf dem Diaphragma (30) in der Mitte angeordnet, und die zweiten Meßwiderstände (42a, 43a) sind auf dem Diaphragma (30) am Rand angeordnet. Jeder erste Meßwiderstand (41, 44) besitzt einen ersten Widerstandswert (Ra, Rd), welcher größer als ein zweiter Widerstandswert (Rb1, Rc1) jedes zweiten Meßwiderstands (42a, 43a) ist. Die TNO-Charakteristik des Sensors ist derart verbessert, daß der Sensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit besitzt.
