DE2809549C2 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers und Halbleiter-Druckmeßfühler - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers und Halbleiter-DruckmeßfühlerInfo
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Description
a) der HalbleiterdruckmeBfühlcr hat beim betreffenden Abstand (XT,) der Tangenlialdehnurigsmesscreinheit
eine lineare Abhängigkeit des Meßsignals vom Druck und
Ii b) der betreffende Absland (XT1) ist dem Mittelpunkt der Membran (10) naher als ein zweiter Absland
(XT?), bei dem ebenfalls das Meßsignal linear vom Druck abhängt.
2. Halbleitcr-Druckmeßfühler aus einer scheibenförmigen Membran aus cinkrislallincm Halbleitermaterial
al mit wenigstens einer Radial-Dchnungsincsser-Hinhcil mit Pic/.owiderstandseffekl in Radialrichtung im
p 20 Randou-eich der scheibenförmigen Membran, wenigstens einer Tangcnlial-Dehnungsmcsser-F.inheil mil
j! Piezov» idersiandseffeki. die in Tangeniiulrichiung der scheibenförmigen membran und zwischen <lcr Rydüili|
Dehnungsmesser-Einheit und der Mitte der Membran angebracht wird, und mit einem Träger für den
'"! Außenrandteil der scheibenförmigen Membran, erhältlich durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet
];i ist. daß bei vorgegebener Position der Radial-Dchnungsmesscreinheil die Tangenlial-Dehnungsmesser-Kin-
'p >> hcit an einer vom Mittelpunkt der Membran beanstandeten Stelle positioniert wird, wo gemeinsam folgende
I] Bedingungen gelten
|| a) der Haibleiterdruckmeßfühler hat beim betreffenden Abstand (XT1) der Tangcnlialdehnungsmcsserein-
i'J hcit eine lineare Abhängigkeit des McUsignals vom Druck und
|j «ι b) der betreffende Abstand (XT,) ist dem Mittelpunkt der Membran (10) näher als ein zweiter Abstand
h\ (X ~:). bei dem ebenfalls das Meßsignal linear vom Druck ;ibhängt.
Λ 1. Halblciter-Druckmcufühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
.;: daß die scheibenförmige Membran (10) aus N-Icitcndcm Silizium besteht, dessen druckempfindliche I -'lache
;■] .·. mit einer 11 10|-Kbene zusammenfällt.
<} daß die Radial-Dehiuingsmesser-Ijnheil (I I, 12; 21, 22; Jl, J2; 41, 42) aus !'-leitendem Silizium besieht und
|i auf eincr(l 11)-Achse angeordnet ist. und
^ daß die Tangcntial-Dehnungsmcsser-Kinhcil (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) l'-leiiend isi und senkrecht zur
fj axialen Richtung angeordnet ist.die einen Winke! von 4T ziir{l 10)- und zur(l(H>)-Adisc M'el.
■;] 40 4. Halbleiter-Druckmcßfühler nach Anspruch 2.dadurch gekennzeichnet.
i: daß die scheibenförmige Membran (10) aus N-Ieilendcm Silizium besieht, dessen driicKenipfindliche !-"lache
: mil cincr|l I)-Kbcne zusammenfällt, und
i! daß die Dehnungsmesscr-Kinhcilenfl I. 12; 21.22; 31, 12:41,42; 13, 14; 23,24: 3 5. 34:43.44) P-Icileml sind.
■■■ 5. Halbleiter-Druckmcßfühler nach Anspruch 2.dadurch gekennzeichnet.
i, 4Ί daß wenigstens ein Paar Radial-Dchnungsmcsscr-I-Ünhcilen und wenigstens ein l'aarTangenlial-Dchnungs-
mcsser-Kinhcilen vorgesehen sind.
,' daß das Paar der Radial-Dehnungsmesser-l'inheiten (I I, 12; 21, 22; 31, 32; 41, 42) in jedem Quadranten und
·;? an zur Radial-Achsc symmetrischen Sicllcn vorgesehen ist. und
H daß das Paar der Tangential-Dchnungsmcsser-Kinheilcn (I J1 14; 23, 24; 33, 34; 43, 44) in jedem Quadranten
i; -,ι) und an zur Radial-Achse symmetrischen Sicllcn vorgesehen ist.
Γ 6· Halbleitcr-Druckmeßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Absland von der Miilc
:'. der Membran (10) zu einem Paar der Tangcntial-Dehuingsnicsser-Kinhcilen (13, 14; 23. 24; 33, 34; 43,44) in
V; wenigstens einem der vier Quadranten, deren jeder wenigsiens ein Paar der Tangeniial-Dchnungsmesscr-
',.< Einheiten (13, 14; 23, 24; 33, 34; 43,44) aufweist, verschieden vom Abstand von der Mille zu einem Paar der
';': ·.·. Tätigemial-Dehnungsmesser-l-ünhciten (13, 14; 23,24; 33, 34; 43,44) in einem anderen Quadranten ist.
7. Ilalbleiler-Driickmcßfühlcr nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet.
daß jede der Radial- Dehnungsmesser I. inheilen (II, 12; 21, 22: Jl, 32:41,42) mehrere parallele Streif cn leile
(61.62,63.64) hai.
dfiß jede derTangential-Dchnungsmesser-l-ünheilcn (13, 14; 2 J, 24; 33, 54:43,44) mehrere p;ira I Icle Sl reifenmi
ieile(6l,62,6J,M)hai.und
daß die Streifenicile (61. 62, hj, M) in Reihe durch Verbindiingsieile (HS, hh, 87, hH, βΜ) mn geriiiL'cin
Widcrsland verbunden sind.
Die !irfindiiiij; beiriffi ein Verfahren zur I lersiellung eines I lalbleiier-Driickmeßfiihlei's gemäß dem ΟΙηίΊη·
_'πίΙ des Anspruchs I und einen daraus erhältlichen Ilalbleiler-Driickmcßfühlcr treinäß dem OberbfL'nff Jes
Anspruchs 2 aus Dehnungsmessern (Dehnungsmeßstreifen) mil Piezowiderslandseffekt.
Kin I lalbleiler-Druckrneßfühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 ist aus der tschechischen Zeitschrift
»Tcsla elektronics«, Bd. 8, Nr. 1, S. 14—19 vom Mär/. 1975 bekannt. Eine Membran aus z. B. einkristallineir
Silizium weist um den Randbereich der Membran einen Trägerteil sowie einen druckempfindlichen Bereich auf.
und die Dehnungsmesser-Einheiten werden in ausgewählten I .!igen in der Fläche des druckempfindlichen Teiles ί
durch Diffusion gebildet, wobei eine Radial-Dehnungsmessereinheit im Randbereich der Membran und eine
Tungeniial-Dehniingsmessereinhcil zwischen der Radial-Dehnungsmessereinheit und der Mitte der Membran
ausgebildet sind. Diese Dehnungsmesser-Einheiten sind in einer Whe:itstone-Brücke verbunden. Ein derartiger
I lalbleiter-Druckmeßfühler k;inn eine in der Mäche der Membran erzeugte mechanische Spannung oder Deformation
in c':r, elektrisches Signal umwandeln-. Diese Eigenschaft der Silizium-Membran beruht auf dem Piezowi- m
derstandseffekt des 1 lalbleiiermalerials. I lalbleiier-Druckmeßföhler sind Dehnungsmessern mit einem Metalll.eiter
in der Empfindlichkeit bezüglich der Umwandlung einer Deformation oder mechanischen Spannung in
ein elektrisches Signal überlege«. Leider ist beim I lalbleiier-Druckmeßfühler eine bei der Umwandlung in ein
elektrisches Signal auftretende Nichllineariläl größer als bei Dehnungsmessern mit Metall-l.cilcrn.
Die Nichllineariläl wird wie folgt festgelegt: Wenn angenommen wird, daß auf einer Ausgangskennlinie, die \ ϊ
die Beziehung zwischen dem auf die Membran einwirkenden Druck und einem Ausgangssignal der Dehnungsmesser-Einheil
aufgrund des Druckes darstellt, das Ausgaiigssignal beim Druck Null in einem Punkt Vm und das
Ausgangssignal beim höchsten meßbaren Druck in einem Punkt K,,.,, gegeben sind, dann stellt die Gerade, die
den Punkt V» mit dem Punkt V,„.lv verbindet, das Ausgangssignal einer idealen Dehnungsmesser-Einheit dar. die
eine lineare Ausgangskennlinie hat. Wenn der Höchstwert der DiTerenz des Ausgangssignals zwischen der
Ausgangskennlinie und der Geraden durch JV gegeben isi. wird die Nichtlinearität NL du.ii den folgenden
Ausdruck bestimmt:
NL = -^- ■ 100%. (1)
Κ,αχ
Eis gibi bereits einen Halbleiter-Druckwandler, der eine derartige Nichllinearität kompensiert (US-PS
40 50 313). Jedoch arbeitet dieser bekannte Druckwandler bei Schwankungen der Umgebungstemperatur nicht
befriedigend, da diese die Nichtlineariiät und das Ausgangssignal beeinflußt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckmeöfühlcrs sowie
einen dadurch erhältlichen I lalblciter-Druckmeßfühler zu schaffen, bei dem die Nichtlineariiät minimiert und die
Änderung der Nichtlineariiäi bei Änderung der Umgebungstemperatur oder aufgrund einer herstellungsbedingicn
Versetzung der Lage der Dehnungsmesscrcinheil auf der Membran wesentlich reduziert ist.
In Lösung der obigen Aufgabe ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I angegeben.
Anspruch 2 kennzeichnet in Lösung der obigen Aufgabe einen I lalbleiier-DruckmeUfühler erfindungsgemäß
durch ein Verfahren, durch den der I la Ibleiler-DruckmeUfühler erhall lieh ist.
Die Ansprüche 3 bis 7 kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen davon.
Anhand der 7.eichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigt
I" i g. I die Anordnung von I lalblciter-Dchnungsmcs.scr-Einheiten nach einem ersten Ausführungsbeispiel der 4i>
Erfindung,
I" ig. 2 einen Schnitt H-Il von l; ig. I.
1- i g. J eine radiale Dehnungsmesser-Einheit oder eine tangcniiale Dehnungsmesser-Einheit für das erste
Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung in vergrößerter Darstellung.
I i g. 4 Kennlinien zur Erläuterung der Beziehung /wischen der Nichllinearität und dem Ab?\ind von der j'i
Mine der Membran zur langenlialen Dehnungsmesser-Einheit, wobei die radiale Dehnungsmesser-Einheit im
Randteil der Membran festgelegt isi und die Temperatur :i!s Parameter veränderlich ist,
I i g. 5 Kennlinien für die Beziehung /wischen der Nichtlineariiäi und dem Abstand von der Mitte der
Membran zur langeniiaien Dehnungsmesser-Einheil, wobei die radiale Dehnungsmesser-Einheit im Randteil der
Membran vorgesehen und die Umgebungstemperatur konstant gehallen ist. während die Lage der radialen
Dehnungsmesser-Einheit als Parameter verändert wird,
I" i g. b den Verlauf der mechanischen Spannung in der Oberfläche der Membran, und
I-i g. / den Verlauf des Pie/owidersiandskoeffi/ienlcn einer P-Dehnungsmesscr-Einheit in der (llO)-Ebene
der Membran aus einkristallinem Silizium.
Die Kennzeichnung der Kristallebenen und der Richtung der Krislallachsen folgt im weiteren durch Miller-fn- v,
di/c-s (s.m.S/.e: Physics and properties of semiconductors, lohn Wiley & Son. Seite 11).
Demnach kennzeichnen:
j I einen vollen Salz äquivalenter Ebenen;
( ) eine spezielle Ebene; bO
() uincn vollen SuI/ äquivalenter Richtungen, und
[ ] eine spezielle Richtung.
I ι μ. 1 zeigt in Draufsicht (.inen Halbleiier-DriickmeUfühler als ersies Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung, um
zu erläutern, wie die Dehnungsmesser auf tier scheibenförmigen Membran vorgesehen sind. E i g. 2 ist ein tr>
.Schnitt M-Il in i' 1 ^. I. wobei einander cntspri chemie Teile mit den gleichen Be/.ugszeiehen versehen sind wie in
I-ig. I.
Im liy. I besieht ciifC scheibenförmige Membran 10 aus N-leileiulein cinkrislallim-m Sili/inm und rlii· Oh,···.
lliicho der Membran füll ι mil einer der |l I Oj- K risui lle-bcm.· zusammen, l'aare ι adialer Dl-Ii nungsmcsser1 -Ii ti Ik- ilen
11 und 12, 21 und 22, JI und 32 sowie 41 und 42 werden jeweils in radialen Richtungen entlang einer Mil) Kn
stallachse auf der |l IO|- I-Ibcne gebildet, wobei die radialen I k-huuiigsmcsser-1-inheilen durch selckuvc Diffusion
eines isolierstoff es. wie /. B. Bor. entstehen, Paare langen iialcr Dehnungsmesser einheilen 13 und 14,25 und 24.
33 und 34 sowie 43 und 44, die ebenfalls durch die gleiche Diffusionslechnik gebildet sind, liegen senkrecht /ii den
axialen Richtungen und bilden einen Winkel von 45" mit beiden Krislallachsen (I 10) und (100). Die radialen
Dehnungsmesser-Eünheitcn liegen in einem größeren radialen Absland von der Mitu· der kreisförmigen Mein
bran 10 als die tangcnlialen Dehnungsmesser-Kinhcilcn. Die radialen Dchmmgsmcsscr-Kinhcitcn II, 12, 21. 22.
31, 32,41 und 42 liegen im Randteil tier M em bra η flache vorzugsweise in einem Uereich. in dem die mechanische
Spannung am größten ist. Wie in I·' i g. I gezeigt ist. ist der radiale Absland von der Mute der kreisförmigen
Membran zu den tangcnlialen Dehnungsmesser-l'jnheilcn 1-1, 14,41 und 44 verschieden vom Abstand von dei
Mitte zu den tangentialen Dehnungsmesser-Kinhcilcn 23, 24, 5 5 und M; .iher diese Abstande können mich gleich
sein.
F ι g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung einzelheiten einer radialen Dehnimgsniessei -einheit oder einer
tangentialen Dehnungsmesser-[-!inheil. Die radiale Dehniingsiiicsserlünheil ist gleich wie die tangeniiale Dchntingsmesser-Einheii
aufgebaut und besteht aus parallelen Siicifenleilen hl,62,bJ und M und aus Veibiiidiings
teilen 65, 66, 67, 68 und 69 mit geringem Widerstand, um die parallelen Streifenlcilc in Reihe /\\ verbinden, wie
dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Form der Dchiuingsmcsscr-Kinhciicn ist nicht auf das Aiisführungsbeispiel der
t ι g. i beschrankt, sondern es kann z. ti. auch 'lediglich ein Sireifciueii 6i ais Dehnungsmesser-rinnen dienen
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Rückseite der scheibenförmigen Membran 10 ausgeschnitten, um cmc
Aussparung 53 zu bilden. Kin Tragerteil 52 ist an einem Gehäuse 51 mittels eines Klebstoffes 50 befestigt, und d-r
Trägerteil ist dicker als der druckempfindliche Teil 54.
Wenn ein Druck /'auf die oben erläuterte scheibenförmige Membran einwirkt, unterliegt diese einer Deformation,
so daß die jeweiligen Dehnungsniesser-Kinheilen mechanischen Spannungen ausgesetzt sind. Die mechanischen
Spannungen bewirken ihrerseits Änderung in ilen Inucnwidcrslämlcn der Dehnungsmesser Kinheiten
aufgrund des Pie/.owiderstandscffekies. Insbesondere Helen positive Wklcrsiamlsändcriingen in /.. II. den
radialen Dehnungsmcsser-Kinheiten It und 12 auf. während negative Widcrsiaiiilsändenmgen in z.U. den
tangentialen Dehnungsniesser-Kinheilen 13 und 14 hervorgerufen werden. Da diese Dehnungsmesser·!-ünhciicn
elektrisch in einer Brückcnschaltung angeordnet sind, kann von den Ausgangsanschlüssen der Brücke ein
elektrisches.-, :rnal proportional zum Druck /'erhalten werden.
Im folgenden werden die Eigenschaften eines derartigen Driicknicßfühiers aus einer rvieiiibran mit den («hen
erläuterten Dehnungsmessern näher anhand von Versuchscigebnissen beschrieben, /um Beispiel wird zum
Messen eines Druckes von 50 N/cm2 eine Sili/.iumincmbrun mit radialen untl langcnlialcn Dchnungsmcsser-Kinheilen
auf die folgende Weise hergestellt. Der druckempfindliche Abschnitt der Membran ist 0,2 mm dick und
hat einen Durchmesser von 8 mm. Der Abstand XR von tier Mille der kreisförmigen Membran zu den relativen
Dehnungsmesser-Einheiten auf dem druckempfindlichen Abschnitt ist gewählt mit XK- 3.2 mm oder /■/;/-0.8.
und der Abstund XT" von der gleichen Miiic zu den iangcniialc;; !X-hr,;;;)gs:"e'.se:· Kinhciien is! an geweih!1.. 'JaL!
XT'= 0,8 mm oder r/;i = 0,2 vorliegt, wobei r der Absland von der Mitte tier kreisförmigen Membran zur
Dehnungsmesser-Einheit und ;/ den Radius der kreisförmigen Membran bedeuten. Wenn die Brücke so mit
einem konstanten Strom gespeist wird, daß eine Spannung von 3,5 V an ilen lüngangsanschlüssen liegt, dann
beträgt die Empfindlichkeit der Ausgangsspannung (200:·. 20) mV (wahre Größe) je IO N/cm- mit einer Nichtlinearität
von — O.I 0Zo der wahren Größe untl einem Temperatureinfluß auf die Nichllinearität von 0.1°/» bis 0.2%
der wahren Größe in einem Temperaturbereich von —40"C bis I2TC. Das heißt, die Nichilincuritäls-Kcnnlinic
ist beim erfmdiingsgemäßcn Druckmeßfühlcr um ungefähr ein Drittel besser als beim herkömmlichen Druckmeßfühler.
bei dem die radialen und die langenlialen Dehnungsmesser- linheiten nahezu in gleicher entfernung
von der Membranmitte vorgesehen sind. ti. h. XW=X'/! wie tlies weiter unten näher erläutert wird. Bei einem
anderen Beispiel wird eine .Siliziummembran mit einer Dicke von 0,8 mm tiiitl einem Durchmesser von 8 mm für
die Messung eines Druckes von 1000 N/cm- mit XK = 3,2 mm (r/.i = 0,8) und XV- 1.8 mm (r/;i = 0.45) hergestellt.
Wenn die Brücke so mit einem konstanten Strom gespeist wird, tlaß eine Spannung von 3.5 V an den Kingangsan-Schlüssen
liegt, dann sind die Kennlinien für tlie Nichlliiieariläl und den Temperatureinfluß im wesen'lichen
gleich den Kennlinien, die bei der obigen Messung des Druckes von 50 N/cm-' erhallen werden.
Damit hat die in Fig. 1 dargestellte scheibenförmige Membran ausgezeichnete eigenschaften, da verbesserte
Kennlinien erhalten werden können, indem lediglich die Dicke ties druckempfindlichen Teiles abhängig von dem
zu messenden Druck geändert wird.
Die Speisung der Brückcnschaltung ist nicht auf Konshintsironi-Bctrieb beschränkt. Ausgezeichnete Nichtlineantäts-Kennlinien
werden bei Speisung mit konstanter Spannung erhalten, wenn der Abstand XV leicht
verändert wird.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Grundaufbau des Druckmeßfühlers nicht tlavon abhängt, ob die Brückenschaltung
der Dehnungsmesser-Einheiten in Konstanlstcim-Beirieb oder Konsianispannungs-Bcirieb benutzt
wird.
I ι g. 4 zeigt in graphischer Darstellung, wie Änderungen oder Schwankungen der Umgebungstemperatur die
Nichtlineantäis-Kcnnlinien des Dehnungsmessers beeinflussen. In I·' i g. 4 sind auf der Abszisse XT" und auf der
Ordinate der Absland von der Mitte der kreisförmigen Membran zur langenlialen Dehnungsmesser-einheil und
der Wert der Nichtlinearilät NL aufgetragen, wie dies oben erläutert wurde. Der Punkt OaufderOrdinale zeigt,
daß die Nichliineariiät in diesem Punkt den Wen Niiii hai. und /VZ41 bedeutet eine Gci ade. auf tier die Nichtüncarität
den Wert Null hai. Beim Auftragen dieser Kennlinien werden die radialen Dehnungsmesser-lünheiten an
bestimmten Stellen auf dem Randteil der kreisförmigen Membran festgelegt, die Umgebungstemperatur wird
als Parameter genommen, der diskrete Werte Vi. Vund V. annimmt, untl tue Nichlliiieariläl wird an verschiede-
neu Wellen des Abslandes von der Mitte der kreisförmigen Membran /ur langentialen Dehnungsmesser-Einheit
gemessen, wobei die Umgebungstemperatur auf einer tier 'lemperaturen 7Ί, Tund T. gehalten wird, mit
/ι · T< l\
Wie mis F i ^. 4 folgt, gibl es zwei Punkte auf der Membran, in denen die Nichllineariläl bei einer gegebenen
(Imgehiingsiempealiir '/'den Wert Null annimmt. Eine:1 dieser Piinkli· ist ein Punkt Λ"/Ί einsprechend dem Punkt
(/. wo die Kurve für / /um eisten Mal die Gerade Nh,schneidet, wenn der Absland A fortschreitend von einem
geringeren Wert anwächst, und der andere Punkt ist ein Punkt XT· entsprechend dem Punkt g, wo die Kurve für
T ' im /weilen Mal die Linie NL, schneidet, wobei der Punkt Λ7Ί näher an der Mille und der Punkt XT} näher
am Kand liegt.
Hinsichtlich der Empfindlichkeil der Dehnungsmesser-Einheilen wird üblicherweise der Punkt XT· für die in
Lage der Tangential-Dehnungsmesseriiinheil bevorzugt. Beim bekannten Druckwandler (US-PS 40 50 313)
liegen die langeniialen Dehnungsmesser-Einheiten an den Punkten entsprechend dein Abstand .YT: und nahe
der Position der radialen Dehnungsmesser-Einheilen.
Wenn sich jedoch die Umgebungstemperatur von T, nach I) verschiebt (vgl. F i g. 4). ändert sich die Nichtli·
nearilüt am Punkt XT· von /nach h. d. h. über eine Änderung von JNL;. während sich die Nichilinearitäi am r.
Punkt AT, von mach (/ändert, d. h. über eine Änderung von JNL1. Es sei darauf hingewiesen, daß die Änderung
der Nichllineariläl bei XT.> beträchtlich größer als bei .-YTi ist. Wenn deshalb die Änderung eier Umgebungstemperatur
berücksichtigt wird, sollten die langeniialen Dehnungsmesser an Punkten entsprechend dem Abstand
Im folgenden wird anhand der Fig. 5 näher erläutert, ob XTi ode/ XT.>
für die Lage der tangentialen Dehnungsmesser-Einheit hinsichtlich eines Problems einer Abweichung in der Lage der Dehnungsmesser-Einheil
vorzuziehen ist. was bei der Herstellung der Aussparung an der Rückseite der Membran erfolgen kann. In
F i g. 5 sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in F i g. 4. F i g. 5 zeigt
die Änderung der Nichtlincaritäts-Kcnnlinien, wenn sich die Lage des tangentialen Dehnungsmessers mil ±JX
im die Uige XT. oder A'T>
ändert die Lage des radialen Dehnungsmessers im Randteil der Membran gleichzeitig
um die gleiche Entfernung geändert wird, während die Umgebungstemperatur konstant gehalten wird.
In FiK- 5 entspricht eine Kurve XW der Kurve Tin Fig.4. eine Kurve XR-JX stellt die Nichtlineariläts-Kennlinien
in dem Fall dar. wenn die radiale Dehnungsmesser-Einheit um — z/X aus ihrer Lage gegenüber der
Kurve XR verschoben ist, und eine Kurve XR + JX entspricht dem Fall, in dem die radiale Dehnungsmesser-Einheit
um + JX aus gleicher l-age verschoben ist. in
Wenn nun die tangentiale Dehnungsmesser-Einheit an dem Punkt entsprechend XTi und der radiale Dehnungsmesser
gleichzeitig in der Lage über einem Bereich von 2 JX abweichen,_ dann verschiebt sich die
zugeordnete Kennlinie über einem Bereich von ; nach k. Wenn die tangentiale Dehnungsmesser-Einheit am
Punkt entsprechend AT.. und die radiale Dehnungsmesser-Einheil in der Lage gleichzeitig über einen Bereich
vein 2JX abweichen, dann verschiebt sich die zugeordnete Kennlinie über einen Bereich von / nach /;. Die r>
Steigung der Geraden //) ist größer als die Steigung der Geraden ik, und die Änderung der Nichllineariliit J.V/.J
ist größer als die Änderung der Nichtlinearitül JNI.u Daher werden die tangentialen DehnunKsmesser-Einheiten
vorzugsweise an Stellen entsprechend dem Absland XTi angeordnet, wobei beide die Abweichung beim
Positionieren während der I lerstcllung der Aussparung berücksichtigen.
In I·" i g. 4 und 5 sind Fälle dargestellt, in denen die Kurve, die die Beziehung zwischen dem Abstand von der j<>
Mine der kreisförmigen Membran zur langeniialen Dehnungsmesser-Einheil und den Wert der Nichilinearitäi
darstellt, die Gerade in zwei Punkten schneidet, die die Nichllineariläl mit dem Wert Null angibt. Es gibt jedoch
auch einen Fall, in dem die Kurve die Gerade lediglich in einem Punkt berührt. In diesem Fall müssen die
tangentiiilen Dehnungsmesser-Einheiten an Stellen entsprechend dem Berührungspunkt angeordnet werden.
Die Fig. b und 7 zeigen, wie ein I lalbleiler-Diuckmeßfühler eine hohe Ausgangscmpfindlichkeit. eine gleich- -ti
förmige Kennlinie und eine hervorragende Linearität besitzt, wenn er entsprechend dem Ausfiihrungsbcispiel
der Fig. I aufgebaut ist.
l'ig. b(b) zeigt die Lagebcziehung zwischen ilen Dehnungsmesser-Einheilen Il und 13. die in der in Fig. 1
gezeigten Weise auf der scheibenförmigen Membran angeordnet sind. Wenn der Trägerteil 52 der Membran
siarr am Gehäuse 51 befestigt ist. wie dies in F i g. 2 gezeigt ist. dann unterliegen die Dehnungsmesser-Einheiten
11 und 13 auf der Membran einer Oberflächenspannung, wie dies in F i g. b(a) gezeigt ist. Der Piezowiderstandskoeffi/ieni.
der der Empfindlichkcitskoeffizieni der Dehnungsmesser 11 und 13 ist. ändert sich in der in F i g. 7
gezeigten Weise.
In F i g. b(a) ist auf der Abszisse das Verhältnis des Abstandes r von der Mitte der kreisförmigen Membran zur
Dehnungsmesser-Position zum Radius ,7 der kreisförmigen Membran aufgeiragen. und die Ordinate bezeichnet 5j
die Spannung, wobei Punkte 0 und I jeweils der Mitte und der Außengrenzc der kreisförmigen Membran
entsprechen. Die mechanischen Spannungen in radialer und tangcntialer Richtung sind jeweils durch or und υ,
bezeichnet.
Die Biegespannungen ii, und o, sind durch die folgenden Ausdrücke gegeben:
J ■ P (2)
a, = 4- ■ (-T-)2 ■ [(I + v)-y2(l+3v)] · P (3) „,
β \ η j
.7 = Radius des druckempfindlichen Teiles der Membran.
/) = Dicke des druckempfindlichen Teiles der Membran.
;· = Poissonsche Zahl und
!' - einwirkender Druck.
Die Abs/isse und die Ordinate in F i g. 7 entsprechen jeweils der (MO) und der (lOO)-Kristallachse durch die
Mitte der Oberfläche der kreisförmigen Membran mit einer (10O)-KbCnC. und .7/ und .τ, /eigen jeweils die
Piezowiderstandskoeffizienten in Längs- und Querrichtung. Diese Koeffizienten haben zueinander entgegengesetzte
Vorzeichen.
Die Beziehung zwischen dem Radius und der Änderung im Widcrstandswerl des Dehnungsmessers wird
naherungsweise durch den folgenden Ausdruck beschrieben:
= it\ α, + η, σ,
mil
mil
.'U ./, = riC/.UWIUCI MilltU.M^UCl ll/.ICMt III l.ttltg.M !ititUilg:.
-τ, = Piezowidcrstandskoeffizicnt in Querrichtung,
ti, = mechanische Spannung in radialer Richtung und
(>i = mechanische Spannung in tangcntialcr Richtung.
ti, = mechanische Spannung in radialer Richtung und
(>i = mechanische Spannung in tangcntialcr Richtung.
2ί Auf ähnliche Weise folgt für die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten in '.angeniialer Richtung:
/ A R \
i—jjj—) = f ι ο, + η,σ,. (5)
jo Da entsprechend den Ausdrucken (2) und (3) die mechanischen Spannungen n, und o, ihre Größe abhängig
vom Abstand zwischen der Membranmittc und der Lage der Dehnungsmesser-Einheit ändern, sollte der Widerstandswert
jeder Dehnungsmesser-Einheit mit der Entfernung von der Membranmitte geändert werden.
Wie aus Fi g. 7 folgt, zeigt der radiale Dehnungsmesser den I lochst wert seines Längs-Piezowiderstandskoeffi-/ienten
.τ/ an einer Stelle entlang der (111)-Achse durch die Mitte der kreisförmigen Membran, während der
j-i langentiale Dehnungsmesser den Höchstwert seines Qucr-Pie/owiderslandskocffizienien .7, an einer Sielle
entlang einer Achse durch die Mitte der kreisförmigen Membran hai. wobei diese Achse einen Winkel von 45"
mit der (110)- und der (100)-Achsc bildet. Darüber hinaus isi bei den so gewühlten Lagen entsprechend den
KriirrüTsiiri^s^iinkter! aiii den Kurvers von -τ,- und -τ, die Ahvfcichup." \\\\ Wiiiersiiüv.lswcr! aufgrund falscher
Winkelanordnung gering.
■<o Insbesondere entsprechen die Punkte A und Win F i g. 7 dem ersten bzw. zweiten Term der Gleichung (4) beim
radialen Dehnungsmesser, während die Punkte C und D dem ersten bzw. zweiten Term der Gleichung (5) beim
tangentialen Dehnungsmesser entsprechen. Die Erfinder haben zunächst die Eigenschaften einer I) .hnungsmesser-Einhcit
bei Einwirkung einer cinaxialen mechanischen Spannung untersucht und ermittelt, dal) die Nichtlinearität
mit oder ohne Temperaturschwankung größer wird, wenn die radialen und langenüalcn Dehnungsmes-
4i ser-Einheiten jeweils einaxialen mechanischen Spannungen in Querrichtung unterworfen werden, als wenn diese
einaxialen mechanischen Spannungen in Längsrichtung ausgesetzt sind. Daraus folgt, daß die Nichtlinearitäten
der radialen und tangentialen Dehnungsmesser in der in I" ig. b(b) gezeigten U\gcbezichung kleiner werden,
wenn beide Dehnungsmesser so angeordnet sind, daß sie in erster Linie mechanischen Längsspannungcn
ausgesetzt sind, und daher werden die Eigenschaften der Dehnungsmesser hauptsächlich durch den ersten Term
w der Gleichungen (4) und (5) bestimmt.
Der radiale Dehnungsmesser sollte also an einer Stelle angeordnet werden, die auf der (I I I)-Achsc liegt und
wo die einwirkende tangcntiale Spannung /;, nahezu den Wen Null hat. d.h. «, = 0. während der tangential^
Dehnungsmesser an einer Stelle vorgesehen werden sollten, die auf einer Achse liegt, die einen Winkel von 45"
zur (110)-Achsc und zur (I00)-Achse bildet und näher zur Mitte der Membran als der radiale Dehnungsmesser
liegt, wo die einwirkende radiale mechanische Spannung nr nahezu den Wert Null hat, d. h. c/f = 0. um den Wert
der Nichtlinearität jedes Dehnungsmessers mit oder ohne Schwankung der Umgebungstemperatur kleiner zu
machen. Wenn jedoch die durch die Gleichungen (4) und (5) gegebenen Änderungen der Widerstandswertc für
die radialen und tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten verschieden voneinander sind, stimmen die optimalen
Lagen für die kleinste Nichtlinearität der jeweiligen Dehnungsmesser-Einheiten nicht zwingend mit deren
Wi optimalen Lagen für die kleinste Nichtlinearität des Ausgangssignals der Brückenschaltung der Dehnungsmesser-Einheiten
überein, die einen Druckmeßfühler bilden. Beim Ausführungsbeispiel der f;ig. 1 sind die Dchnungsmesser-Einheiten
unter Berücksichtigung dieser Überlegungen angeordnet. Daher muß die Lage der
tangentialen Dehnungsmesser-Einheit erfindungsgemäß bestimmt werden, um die Nichllinearilät aufgrund
Änderungen oder Schwankungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren.
n5 Der in F i g. 1 dargestellte Halbleiter-Druckmcßfühlcr hat folgende Vorteile:
(!) Da die radialen Dchnüngsrnesscr-ßiihcitcn inid die (angcntialcn Dehnungsmesser-Einheiten auf den
kristallographischcn Achsen angeordnet sind, die die größte Empfindlichkeit des P-Ieilcnden Dehnungsmesser
geben, werden große Änderungen im Widcistandswert möglich, so daß eine hohe Empfindlichkeit des Aus-
bar ist.
(2) Die radialen und die langcniiulen Dehnungsmesser-Einheilen sind an den Stellen angeordnet, die die
größte Empfindlichkeit geben, und die Nichllincaritiit aufgrund Schwankungen der Umgebungstemperatur kann
einfach kompensiert weiden, indem lediglich die Stellen gesteuert werden, an denen die tangentialen Dehnungsmesser-Einheiten
vorgesehen werden.
Weiterhin werden die Vorteile der Erfindung durch eine Anordnung erreicht (vgl. F i g. 7), bei der die e.lauble
Winkelabv/cichung für die radialen Dehnungsmesser-Einheiten auf der (Hl)-Achse in einem Beieich von ca.
± 10" vom Punkt A liegt, und die erlaubte Winkelabweichung für die langcntialen Dehnungsmesser-Einheiten
auf der Achse, die einen Winkel von 45" mit der (TlO)-Achse bildet, liegt in einem Bereich von ca. ± 10 vom
l'unkt C, d.h. über einem Bereich von der (Ill)-Achse bis zu der (112)-Achse. Daher können die mit einer
genauen Anordnung der Dehnungsmesser-Einheiten verbundenen Schwierigkeiten ausgeschlossen werden.
(1) Ils ist möglich, die Änderung der Niehilinearität aufgrund einer Abweichung der Dehnungsmesser-Einheiten
in der relativen Lage zu der Aussparung auf tier Rückseite der Membran klein zu machen. Damit können
DnickmeUfühlcr nut gleichmäßigen Kennlinien selbst bei Massenproduktion hergestellt werden.
(4) D.i clii; radialen und die tangcntialen Dehnungsmesser-Einheiten an den Stellen entsprechend den Krümmungspiinkier.
auf den Empfindlichkeitskurven liegen, kann die Ungleichmäßigkeit der Empfindlichkeit aufgrund
der Abweichungen der krisiallographisehcn Achsen bis zu einem sehr kleinen Grad verringert werden, so
daß die Reproduzierbarkeil einer gleichmäßigen Kennlinie verbessert werden kann.
(5) Die Dehnungsmesser-Einheiten sind, wie in I' i g. 1 gezeigt, so angeordnet, daß vier Dehnunesmcsscr-Einheiten
in j'-ö'-m Quadranten der kreisförmigen Membran liegen, wobei die Dehnungsmesser-Einheiten, nämlich
/. Ii. die Dehnungsmesser-Einheilen II. 12, 13 und 14 im ersten Quadranten, eine Brücke bilden, die als Druck·
meUfuhler einsetzbar ist. Wenn .so ein Dehnungsmesser-Muster aufgebaut wird, das verschiedene vier Kombinationen
von radialen und langentialen Dehnungsmessern hat, di.· für verschiedene Druckbcreichc einsetzbar sind.
dann können vier verschiedene Druckmesser aufgebaut werden, indem lediglich das oben erläuterte Dehnungsmcsser-Muslcr
verwendet wird.
Die scheibenförmige Membran kann auch aus N-Silizium bestehen, wobei ihre druckempfindliche Fläche mit
der |l11}-Ebcne zusammenfällt. Da die |lll)-Ebcnc isotrop ist, können die Richtungen der Anordnung der
Dehnungsmesser-Einheiten beliebig gewählt werden, und wenn die Lagen der Dehnungsmesser-Einheiten erfindungsgemäß
bestimmt werden, kann die Nichtlincaritäl abhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur
auf einfache Weise kompensiert werden. jo
Im folgenden werden andere Ausführungsbeispielc der Erfindung in einer Tabelle angegeben:
Nr. Ochnungsmesser- Driickcmpriniilichc Kadial-Ai'hsc Tangcntial-Aeh.sc
Material Hache
1 P-Sili/ium (110) [T 10] [001]
2 P-Siiizium (110) [ f 10J Achse bildet Winkel von 45
mitrilO]oder[001]
J P-Silizium (110) [TlIJ [ΪΙ2]
J P-Silizium (110) [TlIJ [ΪΙ2]
Beim erfindungsgemäßen I lalbleiter-Druckiiießfühler kann also die Nichtlincaritäl aufgrund Schwankungen
der Umgebungstemperatur einfach kompensiert werden, so daß ein Halbleiter-Driickmeßfühlcr erhalten wird,
dereinen sehr weiten Betriebstemperatur-Bereich erlaubt.
45
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfahren zur Herstellung eines I (albleiicr-Druckmeßfiihlcrs aus einer scheibenförmigen Membran aus
eiTikristallineni Halbleitermaterial mit wenigstens einer Radialdehnuugsmesscreinheil mit Piezowidersiands-
i effekt in Radialrichtung im Randbcrcieh der scheibenförmigen Membran, wenigstens einer Tangenlialdeh-
nungsmessereinheit mit Pic/.owiderstandseffekl, die in Tangcntialriehtung der scheibenförmigen Membran
und zwischen der Radialdehnungsmesscrcinhcil und der Mitte der Membran angebracht wird, und mil einem
Träger für den Außenrandteil der scheibenförmigen Membran, dadurch gekennzeichnet, dall bei
vorgegebener Position der Radialdehnungsmcssercinheit die Tangeniiüldohnungsme.sscrcinheil ;in einer
ι» vom Mittelpunkt der Membran beabstandcten Stelle positioniert wird, wo gemeinsam folgende Bedingungen
gelten:
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2504677A JPS5923119B2 (ja) | 1977-03-07 | 1977-03-07 | 半導体歪ゲ−ジ |
| JP2504577A JPS5923118B2 (ja) | 1977-03-07 | 1977-03-07 | 半導体歪ゲ−ジ |
| JP52029678A JPS5814751B2 (ja) | 1977-03-17 | 1977-03-17 | ダイアフラム形ひずみゲ−ジ |
Publications (2)
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ID=27284877
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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