DE3230070C2 - Halbleiter-Druckfühler - Google Patents
Halbleiter-DruckfühlerInfo
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Abstract
Die Erfindung schafft einen verbesserten Halbleiter-Druckfühler vom Silizium-Membrantyp. Der Fühler enthält eine Druckfühlervorrichtung in Form eines Substrats aus einkristallinem Silizium, mit einer eindiffundierten Widerstandsschicht auf der einen Fläche des Substrats und mit einer Ausnehmung auf der gegenüberliegenden anderen Fläche des Substrats, um dadurch einen dünnwandigen Abschnitt oder eine Zone zu schaffen, welche die eindiffundierte Widerstandsschicht enthält, wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt umgeben ist. Eine hermetisch abdichtbare Kappe deckt die eine Fläche der Fühlervorrichtung ab. Eine eindiffundierte leitfähige Zone, von der ein elektrisches Signal abgegriffen werden kann, ist in dem Schenkelabschnitt ausgebildet und ist elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht verbunden.
Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckfühler mit einem Substrat aus einkristallinem Silizium, auf dessen
einer Seite eine Widerstandsschicht eindiffundiert ist und auf dessen anderer Seite eine Ausnehmung ausgebildet
ist. um einen dünnwandigen Bereich zu bilden, welcher die eindiffundierte Widerstandsschicht enthält,
wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt umgeben isi. mit einer Kappe, welche
die die Widcrstandsschichl aufreißende Fläche der Fühlcrvorrichlung
abdeckt und hermetisch an der Fühlcrvorriehtung abgedichtet ist, und mit einer in den Schenkelabschnitt
eindiffundierten leitenden Zone, die elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht verbunden
ist.
Ein derartiger Halbleiter-Druckfühler ist aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on Electron Devices«,
Vol. ED-26, No. 12. Dezember 1979. Seiten 1896 bis 1905
bekannt. Bei diesem bekai ,ten Halbleiter-Druckfühler
ist die Kappe auf einer Seite mit Hilfe einer Dichtungsmasse unmittelbar auf der Widerstandsschicht befestigt
und abgedichtet, was jedoch dazu führt, daß die Dichtfläche der Kappe der Kontur der Widerstandsschicht
bzw. an den Übergang zwischen Widerstandsschicht und der Oberfläche des Substrats angepaßt werden
muß. um eine genaue Lage der Kappe und eine hermetische Abdichtung sicher zu stellen.
Die prinzipielle Konstruktion des genannten bekannten Halbleiter-Druckfühlers ist in F i g. 1 gezeigt. Die
allgemein mit IO bezeichnete Vorrichtung besteht aus einem Siliziumsubstrat 1 vom n-Leitfähigkeitstyp, die
mit einer Widers'andsschicht 2 auf einer Fläche ausgestattet
ist, wobei diese Widerstandsschicht beispielsweise durch die Kombination aus Fotoätzverfahren und
Ionen-lnplantationsverfahren oder durch selektive Diffusion
eines p-Typ Fremdatoms wie beispielsweise Bor hergestellt wird. Im Bereich 4 auf der zur Widerstandsschicht
gegenüberliegenden Seite des Substrats ist eine Ausnehmung ausgebildet und zwar beisp'elsweise
durch Anwendung eines Ätzverfahrens oder durch Läppen. Dadurch wird ein dünnwandiger zentraler Bereich
to la erhalten, der von einem dickwandigen Schenkelabschnitt 1 b umgeben ist.
Wenn auf diese Anordnung ein Druck ausgeübt wird, so wird der dünnwandige Bereich la, welcher die eindiffundierte
Widerstandsschicht 2 enthält, deformiert, so daß dadurch eine Änderung im elektrischen Widerstand
der Widerstandsschicht bewirkt wird. Der Bereich la dient daher als spannungsverursachende Zone. Die Fläche
des Substrats 1 wird durch einen Siliziumoxydfilm oder einen Nitridfilm 6 isoliert und stabilisiert.
Die Widerstandsschicht 2 ist elektrisch mit einer metallisierten ohmschen Elektrode 3 verbunden, die oberhalb
des Schenkelabschnitts 1 b ausgebildet ist. Die elektrische Verbindung zwischen der ohmschen Elektrode 3
und der eindiffundierten Widerstandsschicht 2 wird durch eine herausgeführte eindiffundierte Schicht erreicht,
welche durch Diffusion eines Fremdatoms des gleichen Leitfähigkeitstyps wie derjenige der Widerstandsschicht
hergestellt wird (p-leitende Verunreinigung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel) oder wird
durch einen aufgedampften Aluminiumfilm gebildet, der auf den Isolierfilm 6 der Fläche des Siliziumsubstrats 1
hergestellt wird.
Druckfühler vom Silizium-Membraniyp sind gegenwärtig
in zwei Variationen erhältlich und zwar entsprechend dem Druckmeßverfahren:
(1) Ein Absolutdruck-Typ, bei dem die Druckänderung
auf einer Seite der Siiizrum-Membran oder im Spannungsverursachenden Bereich mit dem Druck
verglichen wird, der in einer Bezugsdruckkammer auf der anderen Seite herrscht, in welcher der
Druck konstant gehalten wird, und
(2) ein Differentialdruck-Typ, bei dem die Differenz zwischen den Druckwerten gemessen wird, die auf
die zwei Seiten der Membran wirken.
Die fertiggcstellic Konstruktion des bekannten Absolutdruck-Fühlertyps
ist in Fig. 3 veranschaulicht. Eine komplette Halbleiter-Druckfühlervorrichtung, wie sie
zuvor beschrieben wurde, wird mit einem isolierenden Schulzfilm 6 auf der Fläche überzogen, auf welcher die
Widerstandsschicht ausgebildet ist. Über den Isolierfilm wird eine hermetisch abdichtbare Kappe in Form eines
Glasgefäßes oder Metallgefäßes 7 angeordnet, welches
über ein Dichtungsmittel 9 abgedichtet wird, wobei der Innenraum 8 der Kappe 7 evakuiert wird oder mit einem
Edelgas oder einem ähnlichen Medium mit einem konstanten Druck gefüllt wird. Der Bereich, an welchem die
Kappe 7 am Isolierfilm 6 durch das Dichtmittel 9 befestigt ist, sollte nicht oberhalb des dünnwandigen Bereiches
la der Fühlervorrichtung liegen. Aufgrund des Vorhandenseins der hermetisch abdichtbaren Kappe 7
auf der herkömmlichen Halbleiter-Fühlervorrichtung 10 nach F i g 1 muß jede der Elektroden 3. welche elekirisch
mit der Widerstandsschicht 2 verbunden ist, zum Außenbereich der Kappe 7 geführt werden. Dies trägt
jedoch zur Größe der Vorrichtung bei und steigert die Produktionskosten in unerwünschter Weise. Weiter ist
dabei von Nachteil, daß d.er Bereich, an weichem die Kappe 7 am isolierenden Film 6 durch das Dichtmittel 9
befestigt ist, in den meisten Fällen dicht beim dünnwandigen Bereich la der Silizium-Membran liegt. Dadurch
wird jedoch eine nachteilige Wirkung auf die .Spannungscharakteristik
hervorgerufen, speziell eine nachteilige Wirkung auf die Temperaturabhängigkeit des
Drucks gegenüber den Kennlinien des elektrischen Ausgangssignals.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin den Halbleiter-Druckfühler der eingangs definierten
Art derart zu verbessern, daß keinerlei geometrische Einschränkungen in dem Bereich mehr vorhanden
sind, bei welchem die he.-metisch abdichtbare Kappe am
Substrat befestigt wird und der kompakter ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Halbleiter-Druckiuhler
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eindiffundierte leitende Zone
sich von der einen Fläche des Siliziumsubstrats zu einer gegenüberliegenden Fläche an einem Ende des
dickwandigen Schenkels erstreckt.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Halbleiterdruckfühlers
führt zu den folgenden Vorteilen:
25
(1) Geometrische Einschränkungen im Bereich, bei welchem die hermetisch abdichtbare Kappe 7 auf
dem Isolierfilm 6 befestigt wird, werden beseitigt und zwar in dem die metallisierte Elektrode 3 auf
der Seite des Schenkelabschnitts \b angeordnet wird, welche dem spannungsverursachenden Abschnitt
la gegenüberliegt. Somit kann das Gefäb mit dem Umfang der Fühlervorrichtung unter Anwendung
des Dichtmittels 9 verbunden werden, also an einer Stelle, die zufriedenstellend weit von
dem spannungsverursachenden Bereich oder Zone la entfernt liegt. Als Ergebnis hat dieser Fühler
Ausgangskenngrößen entsprechend Druck gegenüber dem elektrischen Ausgangssignal, welche die
gewünschte Temperaturabhängigkeit haben.
(2) Aus den unter (1) genannten Gründen kann der Fühler kompakter ausgeführt werden als herkömmliche
Produkte und kann daher auch mit niedrigerem Kostenaufwand hergestellt werden.
(3) Da die metallisierte Elektrode 3 an dem vorspringenden
Ende des Schenkels 1 e ausgebildet ist, kann die Filtervorrichtung 100 direkt mit Lötmetall an
Fassungen gebunden werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiierbildüngen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
im Vergleich zum Stand der Technik unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
F i g. 1 die Konstruktion eines herkömmlichen Druckfühlers,
F i g. 2 einen Halbleiter-Druckfühler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen nach der bO
Erfindung, und
F i g. 3 eine erweiterte Ausführungsform der bekannten Konstruktion nach F i g. 1.
F i g. 2 zeigt einen Halbleiter-Druckfühler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen
nach der Erfindung, Der Druckfühler ist allgemein mit 100 bezeichnet und kjsnn aus einem n-leitfähigen Siliziumsubstrat
1 von dem gleichen Typ bestehen, der zuvor in Verbindung mit tier Vorrichtung 10 in Γ i g. 1
erläutert wurde. F.inc Widersiaiklssehiehi 2 ist auf einer
Iläche des Substrats I durch kombinierte Anwendung
eines l'otoäl/verfahren.s und eines loneii-linplanuiiiuns
Verfahrens oder durch selektive Diffusion von p-leiifiihigcn
Fremdatomen, wie beispielsweise Bor. ausgebildet. Im Bereich 4 auf der zur Widerstandsschicht gegenüberliegenden
Seite des Substrats ist eine Ausnehmung ausgebildet, beispielsweise durch Läppen oder durch chemisches
Ätzen, um dadurch einen dünnwandigen Bereich la auszubilden, der ca. 30 — 50 μπι dick ist. Dieser
eine Spannung verursachende Bereich la wird von einem dickwandigen Schenkelabschnitt Ib umgeben. Gemäß
F i g. 2 ist in dem Schenkelabschnitt \b eine leitende Zone 5 durch Eindiffusion eines p-leitfähigen Fremdatoms
in das Siliziumsubstrat ausgebildet. Wenn mehr als nur eine eindiffundierte p-leitfähige Zone ausgebildet
wird, so muß jede Zone elektrisch vcn der anderen Zone isoliert werden. Die Zahl derartiger eindiffundierter
Zonen ist davon abhängig, wie groß die Zahl der
Elektroden ist. Jede eindiffundiertt Zone 5 vom p-Typ hat ohmschen Kontakt mit einer metali.sierten Elektrode
3, die auf der anderen (d. h. Projektionsfläche) Fläche des Schenkelabschnitts Xb jeder Signal aufneh.nenden
Fläche ausgebildet ist. Die Widerstandsschicht 2 kann elektrisch mit der eindiffundierten Schicht 5 vom p-Typ
durch herkömmliche Verfahren oder Mittel verbunden werden, beispielsweise durch Verbinden mit Hilfe eines
durch Aufdampfen hergestellten Aluminiumfilms oder durch Ausbilden einer eindiffundierten Schicht vom p-Typ
auf der Seite der Widerstandsschicht 2. Diese Anordnung schafft die Möglichkeit die elektrischen Signale,
die aufgrund von Änderungen im druckabhängigen Widerstand der Widerstandsschicht erzeugt werden,
von den unteren Enden der Schenke! 16 nach außen zu führen und zwar von der Zone wegzuführen, an welcher
die abdichtbare Kappe an der oberen Fläche der Vorrichtung befestigt werden muß. In diesem Fall kann also
die gesamte obere Fläche des Siliziumsubstrats 2 durch einen Isolierfilm aus Siliziumoxyd geschützt werden.
Bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist das Siliziumsubstrat 1 mit Fremdatomen vom η-Typ dotiert.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch ein in gleicher Weise wirksamer Druckfühler dadurch hergestellt
werden kann, in dem man ein Siliziumsubs'.rat vom p-Typ mit einer Widerstandsschicht 2 vom η-Typ und
einer eindiffundierten Zone 5 vom η-Typ kombiniert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Halbleiter-Druckfühler mit einem Substrat aus
einkristallinem Silizium, auf dessen einer Seite eine Widerstandsschicht eindiffundiert ist und auf dessen
anderer Seite eine Ausnehmung ausgebildet ist. um einen dünnwandigen Bereich zu bilden, welcher die
eindiffundierte Widerstandsschicht enthält, wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt
umgeben ist, mit einer Kappe, welche die die Widerstandsschicht aufreißende Fläche der Fühlervorrichtung
abdeckt und hermetisch an der Fühlervorrichtung abgedichtet ist, und mit einer in den
Schenkelabschnitt eindiffundierten leitenden Zone, die elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die eindiffundierte leitende Zone (5) sich von der einen Fläche des Siliziumsubstrats
(1) zu einer gegenüberliegenden Fläche an einem Ende des dickwandigen Schenkels (1 ^erstreckt.
2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dickwandigen Abschnitt mehrere
eindiffundierte leitfähige Zonen ausgebildet sind, die gegeneinander elektrisch isoliert sind.
3. Druckfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jede eindiffundierte leitende Zone
eine metallisierte Elektrode (3) angeschlossen ist, die auf der anderen Fläche des Substrats angeordnet ist.
4. Druckruhler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da" eine Fläche des Substrats
mit einem schüizenden durchgehenden Isolierfilm (6) abgedeckt ist.
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