DE3207833A1

DE3207833A1 - Halbleiter-drucksensor

Info

Publication number: DE3207833A1
Application number: DE19823207833
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 8000 München Roloff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-03-04
Filing date: 1982-03-04
Publication date: 1983-09-15

Description

Halbleiter-Drucksensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor in Form einer Halbleiterscheibe, in der zur Bildung eines membranartigen Bereichs an einer Oberflächenseite (Rückseite) eine Ausnehmung und in der an der der einen Oberflächenseite gegenüberliegenden Seite (Vorderseite) im membranartigen Bereich mindestens ein erster elektrischer Widerstand, vorzugsweise eine erste Widerstandsbrücke, vorgesehen ist.
Halbleiter-Drucksensoren der vorstehend genannten Art werden durch eine Siliciumscheibe gebildet, in der von der Rückseite her durch isotrope oder anisotrope Atzung eine Ausnehmung ausgebildet wird, so daß ein dünner membranartiger Bereich entsteht. Dieser membranartige Bereich kann beispielsweise kreisförmige, elliptische oder rechteckige Gestalt besitzen.
In den membranartigen Bereich werden von der Oberseite her Widerstände, die in aller Regel zu einer Widerstandsbrücke verschaltet sind, eindiffundiert oder implantiert.
Die so ausgebildete Siliciumscheibe wird auf einem Sokkel montiert, der beispielsweise unterhalb der Membran eine Öffnung mit einem Druckanschluß aufweisen kann. Besteht eine Druckdifferenz zwischen der Ober- und der Unterseite des membranartigen Bereichs, so wird dieser verformt, was wiederum auf Grund des piezoresistiven Effektes eine Änderung der Widerstandswerte der beispielsweise als Brücke geschalteten Widerstände zur Fol- ge hat. Aus der Änderung des an den Widerständen bzw.
an der Widerstandsbrücke abgegriffenen Signals ergibt sich eine elektrische Größe, die proportional zur Druckdifferenz ist.
Bei der Herstellung eines derartigen Halbleiter-Drucksensors ist es schwierig, im drucklosen Zustand ein definiertes Signal, z. B. eine definierte Nullspannung an der Widerstandsbrücke zu erzeugen. Die Ursachen dafür sind Dotierungsschwankungen im Silicium innerhalb oder außerhalb der Widerstandsbereiche, Ungleichmäßigkeiten bei der Maskenherstellung für fotolithografische Prozesse, Ungleichmäßigkeiten, z. B. bei der Belichtung oder Ätzung bei den fotolithografischen Prozessen zur Abgrenzung der Widerstandsbereiche und zur Öffnung von Passivierungsschichten für elektrische Anschlüsse, ein ungleichmäßiges Legieren von Kontaktmetall in den Öffnungen für die elektrischen Anschlüsse mit der Siliciumscheibe, z. B. durch Temperaturgradienten in der Scheibe sowie Verspannungen der Siliciumscheibe beim Aufbringen auf einen Sockel.
Es ist zwar versucht worden, das Problem eines definierten Signals in drucklosen Zustand durch Optimierung der einzelnen Prozeßschritte hinsichtlich Gleichmäßigkeit und Verspannungsfreiheit - durch großflächige fiderstände oder Anschlußbahnen und durch Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten der Unterlage mindestens teilweise zu eliminieren. Diese Maßnahmen führen jedoch insgesamt noch nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Drucksensor der in Rede stehenden Art anzugeben, bei dem das Ausgangssignal im drucklosen Zustand eindeutig definiert ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiter-Drucksensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Halbleiterscheibe außerhalb des membranartigen Bereichs mindestens ein weiterer, dem ersten Widerstand gleicher Widerstand, insbesondere eine weitere Widerstandsbrücke, vorgesehen ist.
Werden bei einem erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensor der vorstehend definierten Art die Signale an den beiden Widerständen, insbesondere an den beiden Widerstandsbrücken, einer Differenzbildung unterworfen, so ist die Signaldifferenz unabhängig von allen kontinuierlichen, d. h. nicht abrupten Dotierungsschwankungen, von Ungleichmäßigkeiten der Geometrie und von Verspannungen der Halbleiterscheibe.
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors; Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Halbleiterscheibe des Halbleiter-Drucksensors nach Fig. 1; und Fig. 3 ein Prinzipschaltbild zweier Widerstandsbrücken eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensors mit nachgeschaltetem Differenzverstärker.
Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Halbleiter-Drucksensor ist in einer Siliciumscheibe 1 von der Rückseite her eine Ausnehmung 2 vorgesehen, so daß in der Siliciumscheibe 1 ein membranartiger Bereich 3 ausgebil- det ist. Die Ausnehmung 2 kann, wie eingangs ausgeführt, beispielsweise durch isotrope oder anisotrope Ätzung in der Halbleiterscheibe 1 hergestellt werden.
Im membranartigen Bereich 3 wird nach üblichen Verfahren, beispielsweise durch Diffusion oder Implantation, eine Widerstandsstruktur 4 hergestellt, welche beispielsweise eine WiderstandsbrUcke bilden kann.
Erfindungsgemäß ist in der SiliciumScheibe 1 außerhalb des membranartigen Bereichs 3 eine weitere Widerstandsstruktur 5 vorgesehen, welche mit der Widerstandsstruktur 4 identisch ist.
Die vorstehend beschriebene Scheibenanordnung kann auf einem Sockel 6 montiert werden, der wie eingangs ausgeführt unterhalb des membranartigen Bereichs 3 der Siliciumscheibe 1 eine Öffnung 7 mit einem (nicht dargestellten) Druckanschluß aufweisen kann. Die Druckzufuhr ist schematisch durch einen Pfeil 8 angedeutet.
Wie aus dem Prinzipschaltbild nach Fig. 3 hervorgeht, können die Widerstands strukturen 4 und 5 jeweils eine Widerstandsbrticke bilden, denen an Klemmen 41 und 42 bzw. 51 und 52 eine Betriebsspannung zugef'3hrt ist. Das an dem jeweiligen Nullzweig der Widerstandsbrücken 4 und 5 entstehende elektrische Signal wird einem Differenzverstärker bzw. einem Operationsverstärker 10 an einem nichtinvertierenden Eingang 11 i bzw. einem invertierenden Eingang 12 zugeführt. An einem Ausgang 13 des Differenzverstärkers bzw. Operationsverstärkers 10 ist ein Signal abnehmbar, das der Differenz der beiden Slgnale an den Nulizweigen der Widerstandsbrücken 4 und 5 entspricht.
Da davon ausgegangen werden kann, daß die durch die eingangs erläuterten Ungleichmäßigkeiten bzw. Störungen hervorgerufenen Fehlersignale an den Brücken 4 und 5 in der Praxis statistisch gleich sind, werden diese Fehlersignale durch die Differenzbildung über den Differenzverstärker bzw. Operationsverstärker 10 eliminiert, so daß an dessen Ausgang 13 nur noch ein von Fehlersignalen freies, dem einwirkenden Druck proportionales Signal erhalten wird.
3 Figuren 4 Patentansprüche

Claims

PatentansDrUche )Halbleiter-Drucksensor in Form einer Halbleiterschei-Me, in der zur Bildung eines membranartigen Bereichs an einer Oberflächenseite (Rückseite) eine Ausnehmung und in der an der der einen Oberflächenseite gegenUberliegenden Seite (Vorderseite) im membranartigen Bereich mindestens ein erster elektrischer Widerstand, vorzugsweise eine erste Widerstandrbrücke, vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in der Halbleiterscheibe (1) außerhalb des membranartigen Bereichs (2) mindestens ein weiterer, dem ersten Widerstand (4) gleicher Widerstand (5), insbesondere eine weitere Widerstandsbrücke, vorgesehen ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Widerstände (4, 5) an eine Subtraktionsstufe (10) angekoppelt sind.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Subtraktionsstufe (10) als Differenzverstärker ausgebildet ist.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Subtraktionsstufe (10) in der Halbleiterscheibe (1) integriert ist.