DE3009877A1 - Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer lastplatte - Google Patents
Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer lastplatteInfo
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Description
HITACHI, LTD., Tokyo,
Japan
Japan
Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer Lastplatte
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei einem Halbleiterdehnungsmesser und insbesondere auf eine
Verbesserung bei einem Halbleiterdehnungsmesser, bei dem ein Halbleitersubstrat, auf dem ein Dehnungsmeßstreifen ausgebildet
ist, mit einer elastischen Lastplatte verbunden ist.
Es ist gut bekannt, daß ein Halbleiterdehnungsmesser, der einen piezoresistiven Effekt eines Halbleiters ausnutzt,
eine zehnmal so hohe Ausgangsempfindlichkeit wie die eines herkömmlichen Drahtdehnungsmessers hat. Ein bekannter
Halbleiterdehnungsmesser verwendet ein Halbleitersubstrat mit einem Dehnungsmeßstreifen, der auf einer Hauptfläche des
Substrats durch Diffusion oder epitaktisches Wachstum ausgebildet ist. Ein durch Verbinden eines solchen Halbleitersubstrats
mit einem elastischen Metallastelement erhaltener Halbleiterdehnungsmesser wird Lastplattentyp-Halbleiterdehnungsmesser
genannt. Diese Art von Halbleiterdehnuncrs-
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messer ist beispielsweise in der US-PS 3 662 234 beschrieben.
Ein Lastplatten-Halbleiterdehnungsmesser ist insofern vorteilhaft, als eine Lastplatte, auch wenn sie aus einer
Metallmembran oder einem Metallgehäuse besteht, eine verhältnismäßig leichte Verbindung eines Halbleitersubstrats
damit ermöglicht. Jedoch wird der Ausgang dieser Art von Halbleiterdehnungsmesser durch einen Unterschied zwischen
dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines HalbleiterSubstrats
und dem einer Metallastplatte, die Art des zwischen dem Halbleitersubstrat und der Metallastplatte eingefügten Bindemittels
und die Verbindungsbedingungen beeinflußt. Dies verursacht eine Nullpunktverschiebung und Hysterese im Ausgang.
Daher ist der oben erwähnte Typ des Halbleiterdehnungsmessers bezüglich seiner Empfindlichkeit, Genauigkeit und
Verläßlichkeit nicht befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdehnungsmesser
zu entwickeln, der von einer Nullpunktverschiebung und einer Hysterese in den Ausgangseigenschaften
praktisch frei ist und eine hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Verläßlichkeit aufweist.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein Halbleiterdehnungsmesser mit einer eine einer
mechanischen Spannung ausgesetzte Oberfläche aufweisenden elastischen Lastplatte und einem Halbleitersubstrat mit
gegenüberliegenden Hauptflächen, deren erste mit der elastischen
Lastplatte verbunden^und deren zweite mit wenigstens einem Dehnungsmeßstreifen und mit dem oder den Dehnungsmeßstreifen
verbundenen Elektroden versehen ist, mit dem Kennzeichen, daß der Dehnungsmeßstreifen von der Umfangskante der zweiten
Hauptfläche des Substrats in einem Abstand ist, der wenigstens 1/3 der Länge der zweiten Hauptfläche beträgt.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung gibt also einen Halbleiterdehnungsmesser an, beijäem ein Halbleitersubstrat eine erste Haupt fläche,
eine zweite Hauptfläche an der gegenüberliegenden Seite der ersten Hauptfläche, einen Dehnungsmeßstreifen, der im mittleren
Teil der zweiten Hauptfläche durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes darin gebildet ist, und mit den Dehnungsmeßstreifen
verbundene Elektroden aufweist. Diese Dehnungsmeßstreifen haben von der Umfangskante der zweiten Hauptfläche
einen größeren Abstand als 1/3 der Länge der zweiten Hauptfläche. Die erste Hauptfläche des Halbleitersubstrats
ist mit einer elastischen Metallplatte verbunden.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin
zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Halbleiterdehnungsmessers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Grundriß eines im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendeten Halbleitersubstrats;
Fig. 3 einen vergrößerten Grundriß des in Fig. 2 gezeigten Halbleitersubstrats, der dessen Einzelheiten
zeigt; und
Fig. 4 einen vergrößerten Grundriß eines Teils des in Fig. dargestellten Halbleitersubstrats.
Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Halbleitersubstrat 14 mit der
Oberfläche 12 einer Metallastplatte 10 mittels Lots 16 verbunden.
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Ein Dehnungsmeßstreifenbereich 20 ist auf einer zweiten Hauptfläche 18 des Halbleitersubstrats 14 gebildet. Die
erste Hauptfläche 22 ist mit der Oberfläche 12 der Metallastplatte 10 verbunden. Die Metallastplatte 10 ist
an ihrem einen Ende an einem festen Bauteil 25befestigt und
wird entsprechend einem Druck und einer Verschiebung elastisch verformt, um eine mechanische Spannung in der
Oberfläche 12 zu erzeugen.
Die Kurven A, B in Fig. 2 stellen die Verteilung der vom Halbleitersubstrat 14 aufgenommenen Scherspannung dar.
Die Bezugszeichen Lp, Tp bezeichnen die Breitseiten- bzw.
die Längsseitenlänge des Halbleitersubstrats 14, und die Bezugszeichen σ" 1, d ~ bezeichnen Komponenten der Scherspannung.
Diese Kurven A, B zeigen, daß die Komponenten S , (f, in den Umfangsteilen des Halbleitersubstrats 14
größer und im mittleren Teil des Halbleitersubstrats 14 am geringsten sind, der von den Seiten 24, 26, 28, 30
des Halbleitersubstrats 14 im wesentlichen gleiche Abstände aufweist. Und zwar zeigen die Kurven A, B, daß die Komponenten
^1, (^2 im mittleren Bereich des Substrats 14,
dessen Breite 1/3 der Länge des Substrats 14 ist, kleiner sind.
Nach Versuchsergebnissen verringern sich die Nullpunktverschiebung
und die Hysterese in den Ausgangseigenschaften eines ttalbleiterdehnungsmessers, wenn die Komponenten <S ^,
(f 2 verkleinert werden.
Unter Berücksichtigung des Obigen wird die Bemessung des Dehnungsmeßstreifenbereichs 20 erfindungsgemäß folgendermaßen
gewählt. Der Streifenbereich 20 weist von den Längs-
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Seiten 28, 30 des Substrats 14 Abstände L1, L- auf, die
größer als 1/3 der Länge Lp der Breitseiten 24, 26 des Substrats 14 sind, und der Bereich 20 weist von den Breitseiten
24, 26 des Subs_tats 14 Abstände L3, L. auf, die
größer als 1/3 der Länge Tp der Längsseiten 28, 30 des Substrats 14 sind. Wenn ein Dehnungsmeßstreifen 20
der vorstehend erwähnten Abmessung verwendet wird,, lassen sich die Nullpunktverschiebung und die Hysterese äußerst
gering halten, da der Streifenbereich 20 bei einer niedrigen Scherspannung gehalten werden kann.
Wie in Fig.1 und 2 gezeigt ist, besteht ein Halbleitersubstrat
14 aus einem rechteckigen N-Siliziumsubstrat mit gegenüberliegenden Hauptflächen 18, 22 und 3,0 mm langen
Breitseiten 24, 26 und Längsseiten 28, 30.
Wie im einzelnen in Fig. 4 gezeigt ist, sind im mittleren Teil der Hauptfläche 18 des Siliziumsubstrats 14 Dehnungsmeßstreifen
32, 34, 36; 38, 40, 42 gebildet. Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36; 38, 40, 42 erstrecken sich parallel
zu den Breitseiten 24, 26 des Siliziumsubstrats 14, und die Längen Lg, Tg (Fig. 3) der Dehnungsmeßstreifen sind
0,480 mm bzw. 0,310 mm. Die Kristallebene dieses Halbleitersubstrats 14 ist (111), und die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36;
38, 40, 42 sind sämtlich parallel zur Ebene (111) ausgebildet.
Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36; 38, 40, 42 sind in Reihe durch Niedrigwiderstandsschichten 44, 46 bzw. 48,
50 verbunden, um einen Anfangswiderstandswert zu behalten.
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Die Zahl der Dehnungsmeßstreifen wird in Abhängigkeit von dem zulässigen Stromverbrauch gewählt. Wenn der Stromverbrauch
niedrig ist, wird die Zahl der Meßstreifen erhöht, um einen erhöhten Anfangswiderstandswert zu erhalten.
Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36; 38, 40, 42 sind auf der Hauptfläche 18 des N-Siliziumsubstrats 14 durch
Eindiffundieren eines p-Dotierstoffes gebildet worden.
Aluminiumelektroden 52, 54, 56, 58 sind durch Aufdampfen
auf das Siliziumsubstrat 14 ausgebildet, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36 sind in
Reihe zwischen den Elektroden 52, 54 und die Dehnungsmeßstreifen 38, 40, 42 zwischen den Elektroden 56, 58 in
Reihe verbunden.
Zusätzlich zu den Aluminiumelektroden 52, 54, 56, 58 ist auf dem Siliziumsubstrat 14 eine Aluminiumelektrode
ausgebildet. Die Aluminiumelektrode 60 liefert dem Siliziumsubstrat 14 ein hohes Potential, um den Rauschabstand (S/N-Verhältnis)des
Dehnungsmessers zu verbessern.
Außerdem sind noch Aluminiumleiter 62, 64, 66 auf das Siliziumsubstrat 14 aufgedampft. Dementsprechend wirkt eine
Verbindungsbelastung gleichmäßig auf das Halbleitersubstrat ein, so daß die Dicke des Lots 16 gleichmäßig wird.
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Leerseite
Claims (5)
- Ansprüche(iy Halbleiterdehnungsmesser mit einer eine einer mechanischen Spannung ausgesetzte Oberfläche aufweisenden elastischen Lastplatte und einem Halbleitersubstrat mit gegenüberliegenden Hauptflächen, deren erste mit der elastischen Lastplatte verbunden ist und deren zweite mit wenigstens einem Dehnungsmeßstreifen und mit dem oder den Dehnungsmeßstreifen verbundenen Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen (20) von der ümfangskante (24, 26) der zweiten Hauptfläche (18) des Substrats (14) in einem Abstand (L3, L4) ist, der wenigstens 1/3 der Länge (Tp) der zweiten Hauptfläche (18) beträgt.
- 2. Halbleiterdehnungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen (20) durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (14) gebildet ist.
- 3. Halbleiterdehnungsmesser nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von im wesentlichen im Mittelteil der zweiten Hauptfläche vorgesehenen Dehnungsmeßstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (32, 34, 36; 38, 40, 42) parallel zu den Längsseiten (28, 30) oder zu den Breitseiten (24, 26) der zweiten Hauptfläche (18) des Halbleitersubstrats (14) derart angeordnet sind,daß die Dehnungsmeßstreifen (32, 34, 36; 38, 40, 42) von den Längsseiten (28, 30) der zweiten Hauptfläche (18) des Halbleitersubstrats (14) einen wenigstens 1/3 der Länge (Lp) der Breitseiten (24, 26) der zweiten Hauptfläche (18)680-(15852-H6722)-TF030038/0887des Substrats (14) gleichen Abstand (Lw L3) und von den Breitseiten (24, 26) einen wenigstens 1/3 der Länge (Tp) der Längsseiten (28, 30) gleichen Abstand (L3, L4) haben, und daß die Dehnungsmeßstreifen (32, 34, 36; 38, 40, 42) zwischen den Elektroden (52, 54; 56, 58) in Reihe geschaltet sind.
- 4. Halbleiterdehnungsmesser nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (32, 34, 36; 38, 40, 42) durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (14) gebildet sind.
- 5. Halbleiterdehnungsmesser nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (Lg, Tg) der Dehnungsmeßstreifen (32, 34, 36; 38, 40, 42) nicht größer als 1/3 derjenigen der zweiten Hauptfläche (18) des Halbleitersubstrats (14) ist.030038/0887
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