DE2913772C3 - Halbleiter-Druckwandler - Google Patents

Halbleiter-Druckwandler

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Druckwandler mit einer Siliziummembraneinheit, auf der eine druckempfindliche Membran gebildet ist, auf die druckempfindliche Membran der Siliziummembraneinheit diffundierten Piezowiderstandselementen, deren -15 Widerstandswert sich abhängig von der in der Membran auftretenden (mechanischen) Spannung verändert, Leiterbahnen, die auf die Siliziummembraneinheit zur elektrischen Verbindung der Piezowiderstandselemente diffundiert sind, einer Passivierungsschicht, die die w Fläche der Siliziummembraneinheit bedeckt, auf die die Piezowiderstandselemente und die Leiterbahnen diffundiert sind, und einem Deckglied aus Isolierstoff, das auf der Fläche der Siliziummembraneinheit befestigt ist und eine Bohrung enthält, die zusammen mit der Siliziummembraneinheit eine Kammer bildet.
Durch die US-PS 39 18 019 und 40 79 508 ist ein Halbleiter-Druckwandler bekannt, der aus einem Glassubstrat und einer Siliziummembraneinheit zusammengesetzt ist. (Ό
An der einen Oberfläche der Siliziummembraneinheit ist ein bestimmtes Muster einer Piezowiderstandsschicht und einer leitenden Schicht ausgebildet, und eine Piezowiderstandsbrücke ist damit vorgesehen. Andererseits weist das Glassubstrat eine kreisförmige Bohrung auf. Das Glassubstrat und die Siliziummembraneinheit werden miteinander durch ein aus der US-PS 33 97 278 bekanntes anodisches Verbindungsverfahren verbunden, so daß sich ein hermetisch abgedichteter Raum als Bezugsdruckkammer ergibt.
Es ist erforderlich, eine hohe Spannung anzulegen, um eine Verbindung durch das anodische Verbindungsverfahren herzustellen. Daher ist es schwierig, das Glassubstrat und die Siliziummembraneinheit ohne nachteiligen Einfluß auf die Piezowiderstandsbrücke miteinander zu verbinden. Während die Siliziummembraneinheit nämlich η-leitend ist, sind die Piezowider-Standsschicht und die leitende Schicht, die die Piezowiderstandsbrücke bilden, p-leitend. Der pn-übergang dazwischen soll als Isolation zwischen der Piezowiderstandsbrücke und dem anderen Bereich der Siliziummembraneinheit dienen. Beim anodischen Verbindungsverfahren legt man an die Siliziummembran eine positive Spannung und an das Glassubstrat eine negative Spannung an. Diese Spannungen wirken als Sperrspannung am pn-Übergang. Demgemäß besteht eine erhebliche Möglichkeit, daß ein Leckstrom durch den pn-Übergang fließt, wodurch die Isolationseigenschaften des pn-Überganges verschlechtert werden.
Üblicherweise wird, wie in der US-PS 35 95 719 beschrieben ist, eine Schicht aus isolierendem und passivierendem Material, z. B. Siliziumdioxid, auf der Oberfläche der Siliziummembraneinheit zum Schutz der Piezowiderstandsbrückenschaltung vorgesehen. Unter diesen Umständen wird die Spannung, die für das anodische Verbindungsverfahren erforderlich ist, umso
höher, je dicker diese Passivierungsschicht ist.
Daher ist es sehr schwierig, einen Halbleiter-Druckwandler herzustellen, bei dem die Oberfläche der Siliziummembraneinheit auch nach dem Verfahren der Verbindung mit dem Glassubstrat vollkommen geschützt ist und die ausgezeichnete Isolationscharakteristik des pn-Überganges ebenfalls erhalten bleibt, weil hierfür eine Mindestdicke der Passivierungsschicht erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Druckwandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der die Anwendung des anodischen Verbindungsverfahrens zur dichten Verbindung des Deckgliedes mit der Siliziummembraneinheit zuläßt, ohne die pn-Übergänge der Piezowiderstandselemente auf der Siliziummeoibran ungünstig zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Leiterschicht zwischen der Passivierungsschicht und dem Deckglied vorgesehen ist.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in d:n Unteran-Sprüchen gekennzeichnet.
Durch die zusätzliche Leiterschicht zwischen der Passivierungsschicht und dem Deckglied wird erreicht, daß die zum anodischen Verbindungsverfahren benötigte Spannung bei ausreichend dicker Passivierungsschicht nur so hoch ist, daß die Charakteristik der pn-Übergänge der Piezowiderstandselemente keine unerwünschten Änderungen erfährt.
Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Beispiele näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckwandlers,
Fi g. 2 und 3 eine Draufsicht bzw. einen vergrößerten Schnitt einer Siliziummembran und eines Glas-Deckgliedes des in F i g. 1 dargestellten Halbleiter-Druckfühlers, und
Fig. 4 einen Teilschnitt mit anderen Leiterbahnen, die elektrisch Piezowiderstandselemente im Glas-Deckglied mit der Außenseite im Halbleiter-Druckwandler nach der Erfindung verbinden.
in der Zeichnung, bei der insbesondere in den F i g. 2 und 3 einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, hat eine Siliziummembran 1 einen Trägerrand aus dickem Silizium und darin eine kreisförmige druckempfindliche Membran aus dünnem Silizium. Das zur Herstellung der Siliziummembran 1 verwendete Ausgangsmaterial ist η-leitend. Auf eine Fläche der Siliziummembran 1 werden p-leitende Piezowiderständt 2a und p + -leitende Leiterhahnen 2b in üblicher Weise diffundiert. Elektroden 3 aus Aluminium (Al) oder aus unbeschädigbaren drei Schichten aus Gold (Au), Palladium (Pd) und Titan (Ti) werden auf den p+-Leiterbahnen 2b mittels eines Verfahrens, wie z. B. Zerstäubens oder Verdampfens, aufgetragen. Weiterhin wird auf der Fläche der Siliziummembran 1, auf der die Piezowiderstände 2a und die Leiterbahnen 2b vorliegen, mit Ausnahme des Bereiches, in dem die Elektroden 3 aufgebaut werden, eine Passivierungsschicht 4 aus einem Isolierstoff, wie z. B. Siliziumdioxid (S1O2), gebildet. Außerdem wird auf der Passivierungsschicht 4 eine Schicht 5 aus einem leitenden Material, wie z. B. Silizium (Si), mittels Zerstäubens, Dampf-Wachstums oder Verdampfung gebildet. Anstelle des Siliziums können andere Metalle, wie z. B. Aluminium (Al), Titan (Ti), Platin (Pt), Palladium (Pd) oder Beryllium (Be), zur Herstellung der leitenden Schicht 5 verwendet werden. Da die Passivierungsschicht 4 aus Siliziumdioxid zwischen der aufgetragenen
Polysiliziumschicht 5 und der Siliziummembran 1 vorgesehen ist, kann bei der Verwendung von Silizium für die leitende Schicht 5 eine anfängliche Biegung der Siliziummembran 1 aufgrund des Unterschiedes der Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgeschlossen werden, so daß die Temperatur-Kennlinie der Siliziummembran 1 verbesserbar ist, d. h., die Änderung des .Standardpunktes, wie z. B. des Nullpunktes, bezüglich der Temperatur aufgrund der durch dsn Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen Biegung ist ausgeschlossen. Weiterhin wird Silizium wegen des guten Haftvermögens an der Passivierungsschicht 4 aus Siliziumdioxid besonders bevorzugt.
Auf der Oberfläche der Siliziummembran 1 ist ein Deckglied 7 angebracht. Dieses Deckglied 7 besteht zur Verbesserung der Temperatur-Kennlinie aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium ist, z. B. aus Borsilikatglas. Dieses Borsilikatglas hat auch das gute Haftvermögen an Silizium. Eine kreisförmige Bohrung 6 wird au) der Unterseite des Glas-Deckgliedes 7 gebildet, und acht Durchgangslöcher 8 werden darin an Stellen entsprechend den Elektroden 3 erzeugt, die auf der Siliziummembran 1 vorgesehen sind.
Die Siliziummembran 1 und das Glas-Deckglied 7 werden nach einer Behandlung durch jeweilige vorbestimmte Prozesse miteinander durch anodisches Verbinden verbunden. Dieses anodische Verbinden ist eine Technologie zum Verbinden eines Halbleiters oder Leiters, wie z. B. Silizium, und eines Isolators, wie z. B. Glas, ohne Haft- oder Bindekissen und wurde in Einzelheiten bereits erläutert (vgl. US-PS 33 97 278). Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Siliziummembran 1 und das Glas-Deckglied 7 gestapelt, und es werden ein positiver Pol und ein negativer Pol, der positive Pol für die Siliziumschicht 5 und der negative Pol für das Glas-Deckglied 7, vorgesehen. Dann wird dieser Stapel aus der Siliziummembran 1 und dem Glas-Deckglied 7 in ein Vakuum gebracht und auf ca. 350° erhitzt. Zwischen diesen Polen liegt eine Spannung von 1000 V für ca. 30 min. Dadurch werden die Siliziummembran 1 und das Glas-Deckglied 7 fest und sicher verbunden. Obwohl das oben erläuterte anodische Verbinden nicht notwendig unter Vakuum durchführbar ist, wird die hermetische Kammer 6 mit Vakuum vorzugsweise erhalten. Durch die Durchgangslöcher 8 werden Leiter 9, wie z. B. Golddrähte, direkt durch Ultraschall-Schweiß-Verbinden mit den Leiterbahnen 2b verbunden.
Um weiterhin einen Bruch und eine Wanderung der Leiter und Elektroden zu verhindern, sind Kunststofflagen 10 aus Siliziumgel oder RTV (RTV = Raumtemperatur- Vulkanisier-Silikongummi) in den Durchgangslöchern 8 angebracht.
Auf der anderen Fläche der Siliziummembran 1 ist eine Einheit 11 in der Form eines Rohres befestigt und bildet eine Kammer, in die der zu erfassende Druck geführt ist, sowie einen Druck-Einlaß. Diese Rohreinheit 11 besteht aus dem oben erläuterten Borsilikatglas und ist auch mit der Siliziummembran 1 durch anodisches Verbinden verbunden.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Golddrähte 9 auf dem auf dem Substrat 15 einschließlich eines Operationsverstärkers 14 gebildeten Dickfilmleiter durch Leiterrahmen 13 verbunden.
Andererseits ist das Substrat 12 auf einem Rohr 16 durch Haft- oder Bindekissen festgelegt, und das Rohr
16 hält darin das Rohr ti fest. Am Substrat 12 ist auch das Hauptsubstrat 15 durch Haft- oder ßindckisscn festgelegt. An der Kante des Hauptsubstrats 15 sind Anschlüsse 17 befestigt, an denen das elektrische Ausgangssignal abgreifbar ist.
In dem oben erläuterten Druckwandler wird ein elektrisches Signal proportional dem absoluten Druck im Einlaß, d. h. dem relativen Drurk im Einlaß bezüglich des Vakuums in der hermetischen Kammer, durch den üblichen Piezowiderstandseffekt erhalten. Das Ausgangssignal wird z. B. einem in einem Kraftfahrzeug angebrachten Mikrocomputer zugeführt, um dadurch eine elektronische Kraftstoffeinspritzung und/oder eine elektronische Voreileinrichiung zu steuern. Da weiterhin die Piezowidcrstandselemente 2.7 in einem inaktiven Zustand oder der Vakuumkammer sind, werden die Piezowiderstands-Kennlinien und die Isolier-Kennlinien des pn-Überganges von ihnen gegenüber der Umgebung geschützt.
In I" i g. 4 isi ein anderer Aufbau der Leiterbahnen 2b dargestellt, die auf die Siliziummembran 1 anders als beim obigen Ausführungsbeispiel diffundiert sind. Z. B. erstreckt sich die Leiterbahn 2b über das Glas-Deckglicd 7, und die oben erläuterte Elektrode 3 aus drei Schichten Gold-Palladium-Titan ist auf dessen ausgedehntem Teil angebracht. An der Elektrode 3 ist der Golddraht 9 durch Draht-Verbinden angebracht.
Der oben erläuterte Aufbau der Elektrode ist insbesondere für eine Massenproduktion geeignet, da die Elektroden einfach erzeugt werden können.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Halbleiter-Druckwandler, mit
einer Siliziummembraneinheit, auf der eine druck- ■> empfindliche Membran gebildet ist, auf die druckempfindliche Membran der Siliziummembraneinheit diffundierten Piezowiderstandselementen, deren Widerstandswert sich abhängig von der in der Membran auftretenden (mechanischen) Spannung verändert,
Leiterbahnen, die auf die Siliziummerr.braneinheit zur elektrischen Verbindung der Piezowiderstandselemente diffundiert sind,
einer Passivierungsschicht, die die Fläche der is Siliziummembraneinheit bedeckt, auf die die Piezowiderstandselemente und die Leiterbahnen diffundiert sind, und
einem Deckglied aus Isolierstoff, das auf der Fläche der Siliziummembraneinheit befestigt ist und eine Bohrung enthält, die zusammen mit der Siliziummembraneinheit eine Kammer bildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterschicht (5) zwischen der Passivierungsschicht (4) und dem Deckglied (7) vorgesehen ist.
2. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht (5) und das Deckglied (7) aus Isolierstoff durch anodisches Verbinden verbunden sind.
3. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckglied (7) aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, der im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums ist.
4. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Deckglied (7) aus Glas besteht.
5. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckglied (7) aus Borsilikatglas zusammengesetzt ist.
6. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht (5) aus Silizium besteht, das auf die Passivierungsschicht (4) der Siliziummembraneinheit (1) aufgetragen ist.
7. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (4) aus Siliziumdioxid besteht.
8. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein rohrförmiges Glied (11) aus Glas mit der Unterfläche der Siliziummembraneinheit (1) verbunden ist, um dadurch eine Kammer zu bilden, in die der zu erfassende Druck geführt ist.
9. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Durchgangslöcher (8) auf dem Deckglied (7) an Stellen entsprechend den Leiterbahnen (2ö)der Siliziummembraneinheit (1) vorgesehen sind, und
daß Elektroden auf den Löchern (8) des Deckgliedes (7) vorhanden sind.
IC. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiterbahnen (2b) auf die Siliziummembraneinheit (1) über das Deckglied (7) hinaus diffundiert sind, und
daß Elektroden (3) auf den ausgedehnten Teilen hiervon vorgesehen sind.
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