DE3009877C2 - Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer Lastplatte - Google Patents

Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer Lastplatte

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DE3009877C2
DE3009877C2 DE3009877A DE3009877A DE3009877C2 DE 3009877 C2 DE3009877 C2 DE 3009877C2 DE 3009877 A DE3009877 A DE 3009877A DE 3009877 A DE3009877 A DE 3009877A DE 3009877 C2 DE3009877 C2 DE 3009877C2
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Motohisa Nishihara
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdehnungsmesser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art
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 Halbleiter-Substrats mit einem elastischen Metallastelement erhaltener Halbleiterdehnungsmesser wird Lastolatten-Iyp-Haibleiterdehnungsmesser genannt. Diese Art von Halbleiterdehnungsmesser ist beispielsweise in der DE-AS 11 68 118 beschrieben, wonach der Dehnungsmeßstreifen von einem Paar paralleler Umfangskanten des Halbleitersubstrats einen der Streifenbreite entsprechenden Querabstand, von dem anderen Paar paralleler Umfangskanten des Halbleitersubstrats jedoch einen im Vergleich mit der Streifenlänge relativ weit kürzeren Längsabstand hat, ohne daß auf die Bedeutung dieser Abstände näher eingegangen wird.
Ein Lastplatten-Halbleiterdehnungsinesser ist insofern vorteilhaft als eine Lastpiatte, auch wenn sie aus einer Metallmemb.-an oder einem Metallgehäuse besteht, eine verhältnis- läßig 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 Metaliastplatte eingefügten Bindemittels und die Verbindungsbedingungen beeinflußt Dies verursacht eine Nullpunktverschiebung und Hysterese im Ausgang. Daher ist der aus der DE-AS 11 68 118 bekannte Halbleiterdehnungsmesser bezüglich seiner Empfindlichkeit Genauigkeit und Verläßlichkeit nicht befriedigend.
Andererseits ist aus der DE-AS 1143 649 ein Lastplatten-Behnungsmesser bekannt bei dem Pitzo-Widerstandsmaterialstreifen auf der Oberseite und der Unterseite der Lastplatte in relativ geringen Längsabständen von deren Umfangskanten direkt aufgebracht sind, wobei auch hier eine Bedeutung des Abstandes nicht erläutert wird.
Schließlich ist es aus dem »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen« von Rohrbach (1967), Seiten 128-139, bekannt, daß beim Aufbau von Dehnungsmessern danach zu streben ist eine Nullpunktverschiebung und eine Hysterese, wie sie u.a. durch unterschiedliche Wärmedehnungen des Dehnungsmeßstreifens seines Trägers und des sie verbindenden Materials verursacht werden, möglichst gering zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdehnungsmesser der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, bei dem unter Berücksichtigung der durch unterschiedliche Dehnungen entstehenden Scherspannungen bei Verwendung eines Halbleitersubstrats bestimmter Bemessung die Nullpunktverschiebung und Hystereseeigenschaften möglichst weit reduziert werden und die Empfindlichkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßwerte entsprechend gesteigert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnende Maßnahme der Patentanspruchs 1 gelöst
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet
Die Festlegung des Abstandes des bzw. der Dehnungsmeßstreifen von allen Umfangskanten des Halbleiter Substrats auf wenigstens ein Drittel der Länge der zur Abstandsrichtung parallelen Umfangskanten führt zu einer derartigen Verteilung der vom Halbleitersubstrat aufgenommenen Scherspannung, daß diese im Dehnungsmeßstreifenbereich so weit gesenkt ist daß sich die Nullpunktverschiebung und die Hysterese äußerst gering halten lassen und daher die angestrebte Empfindlichkeit Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßwerte gewährleistet ist
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines Halbleiterdehnungsmessers gemäß der Erfindung,
Fig.2 einen schematischen Grundriß eines im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 verwendeten Halbleitersubstrats,
Fig.3 einen vergrößerten Grundriß des in Fig.2 gezeigten Halbleitersubstrats, der dessen Einzelheiten zeigt, und
F i g. 4 einen vergrößerten Grundriß eines Teils des in F i g. 3 dargestellten Halbleitersubstrats.
Gemäß F i g. 1 und 2 ist ein Halbleitersubstrat 14 mit der Oberfläche 12 einer Metallastplatte 10 mittels Lot 16 verbunden. Ein Dehnungsmeßstreifenbereich 20 ist auf der Oberseite 18 des Halbleitersubstrats 14 gebildet. Dessen Unterseite 22 ist mit der Oberfläche 12 der Metallastplatte 10 verbunden. Die Metallastplatte 10 ist an ihrem einen Ende an einem festen Bauteil 23 befestigt 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 F i g. 2 stellen die Verteilung der vom Halbleitersubstrat 14 aufgenommenen Sc'-Tspannung dar. Die Bezugszeichen Lp, Tp aezeicr- ;. die Breitseiten- bzw. die Längsseitenlänge d*;*· Ht.-ieitersubstrats 14, und die Bezugszeichen c, o* '■ zeichnen Komponenten der Scherspannung. Π» ^c « urven A. B zeigen, daß die Komponenten a<. Q- ■■■ oen Umfangsteilen des Halbleitersubstrais 14 ..oßer und im mittleren Teil des Halbleitersubstrats i4 as.: 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 ei, 02 im mittleren Bereich des Substrats 14, dessen Breite '/3 der Länge des Substrats 14 ist, kleiner sind.
Nach Versuchsergebnissen verringern sich die Nullpunktverschiebung und die Hysterese in den Ausgangseigenschaften eines Halbleiterdehnungsmessers, wenn die Komponenten σι, σι verkleinert werden.
Unter Berücksichtigung des obigen wird die Bemessung des Dehnungsmeßstreifenbereiches 20 erfindungsgemäß folgendermaßen gewählt. Der Streifenbereich 20 weist von den Längsseiten 28, 30 des Substrats 14 Abstände L\, Li auf, die größer als '/3 der Länge Lp der Breitseiten 24,26 des Substrats 14 sind und der Bereich 20 weist von den Breitseiten 24, 26 des Substrats 14 Abstände L* Ls, auf, die größer als '/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 F i g. 1 und 2 gezeigt ist, besteht ein Halbleitersubstrat 14 aus einem rechteckigen N-Siliziumsubstrat Tiit 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 Oberseite 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 Siliziumsubstrets 14, und die Längen Lg, Tg (Fig.3) der Dehnungsmeßstreifen sind 0,480 mm bzw. 0310 mm. Die Kristallebene dieses Halbleitersubstrats 14 ist (111), und die Dehnungsmeßstreifen 32,34, 36; 38,40,42 s'nd 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.
Die Zahl der Dehnungsmeßstreifen wird in Abhängigkeit von dem zulässigen Stromvei orauch gewählt Wenn der Stromverbrauch niedrig ist. wi' ; die Zahl der Meßstreifen erhöht um einen erhöhten Anfa ;gswiderstandswert zu erhalten.
Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36; 38, 40, 42 sind auf der Oberseite 18 des N-Siliziumsubstrats 14 durch Eindiffundie:°n eines p-Dotierstoffes gebildet worden.
Aluminiumelektroden 52, 54, 56, 58 sind durch Aufdampfen auf das Siliziumsubstrat 14 ausgebildet, wie in F i g. 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 60 ausgebildet Die Aluminiumelektrode 60 liefert dem Siliziumsubstrat 14 ein hohes Potential, um den Rauschabstand (S/N-Verhältnis) des Dehnungemessers zu verbessern.
Außerdem sind noch Aluminiumleiter 62, 64, 66 aj.f das Siliziumsubstrat 14 aufgedampft Dementsprechend wirkt eine Verbindungsbelastung gleichmäßig auf das Halbleitersubstrat ein, so daß die Dicke des Lots 16 gleichmäßig wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Halbleiterdehnungsmesser mit einer eine einer mechanischen Spannung ausgesetzte Oberfläche aufweisenden elastischen rastplatte und einem Halbleitersubstrat, dessen Unterseite mit der elastischen Lastpiatte verbunden ist und dessen Oberseite mit wenigstens einem in einem Abstand von den Umfangskanten der zweiten Hauptfläche des Halb-Ieitersubstrats angeordneten, durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (14) gebildeten Dehnungsmeßstreifen und mit dem oder ' mehreren solchen Dehnungsmeßstreifen verbundenen Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, ds3 der Abstand (L,, L2, L^, U) des Dehnungsmeßstreifens (20) von allen Umfangskanten (28, 30, 24, 26) des Halbleitersubstrats (14) wenigstens ein Drittel der Länge (Lpbzw. Tp) der zur Abstandsrichtüng parallelen Umfangskanten (24,26 ;o bzw. 28,30) beträgt.
2. Halh'pjterdehnungsmesser nach Anspruch t mit einer Mehrzahl von im wesentlichen im Mittelteil des Halbleitersubstrats 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 Oberseite (18) des Halbleitersubstrats (14) derart angeordnet sind, daß die Gesamtheit der Dehnungsmeßstreifen (32,34,36; 38,40,42) von den Längsseiten (28, 30) der Oberseite (18) des Halbleitersubstrats (14) einen wenigstens 1Zi der Länge (^p)der Breitseiten (24,26) der Oberseite (18) des Substrats (14) gleichen Abstand (L,, L2) und von den Breitseiten (24, 26) e /en wenigstens '/3 der jj Länge (Tp) der LXngss iten (28, 30) gleichen Abstand (Lj, U) hat, und daß tJie Dehnungsmeßstreifen (32, 34, 36; 38, 40, 42) zwischen den Elektroden (52,54; 56,58) in Reihe geschaltet sind.
40
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2178179B (en) * 1985-07-24 1989-08-09 Sensortek Limited Weighing apparatus
DE19802158A1 (de) * 1998-01-21 1998-07-16 Rainer Dipl Ing Grosmann Temperaturkompensierter Sensor für mechanische Größen mit Schwingquarzen
EP1692457A4 (de) * 2003-12-11 2007-09-26 Proteus Biomedical Inc Implantierbare drucksensoren
US7762138B2 (en) * 2003-12-11 2010-07-27 Proteus Biomedical, Inc. Pressure sensor circuits
US7398688B2 (en) * 2003-12-11 2008-07-15 Proteus Biomedical, Inc. Pressure sensor circuits

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1143649B (de) * 1959-05-19 1963-02-14 Western Electric Co Vorrichtung zum Messen von Kraeften und Beschleunigungen mit Piezo-Widerstandselementen
DE1168118B (de) * 1960-08-18 1964-04-16 Fairchild Camera Instr Co Dehnungsmesselement aus Halbleitermaterial
US3184962A (en) * 1962-07-13 1965-05-25 Herman P Gay Strain type transducers
US3378648A (en) * 1964-12-31 1968-04-16 Gen Electric Doped piezoresistive phonograph pickup
JPS4822673B1 (de) * 1969-11-13 1973-07-07
US4200856A (en) * 1978-06-01 1980-04-29 Westinghouse Air Brake Company Differential clamp-on railway vehicle wheel detector

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US4292618A (en) 1981-09-29
GB2044999B (en) 1983-05-25
DE3009877A1 (de) 1980-09-18
JPS55124001A (en) 1980-09-24

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