DE3419710C2

DE3419710C2 -

Info

Publication number: DE3419710C2
Application number: DE3419710A
Authority: DE
Inventors: Susumu Nagoya Aichi Jp Sugiyama
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1984-05-26
Publication date: 1987-12-03
Also published as: DE3419710A1; US4576052A; JPH0367211B2; JPS59217375A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterwandler mit einem einkristallinen Siliziumsubstrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Zeitschrift "Electronics", 4. Dezember 1972, Seiten 83 bis 88, ist bereits ein Halbleiterwandler mit einem einkristallinen Siliziumsubstrat bekannt, bei dem auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat ein dehnungsempfindlicher Bereich mit einer Hauptfläche ausgebildet ist. Der Halbleiterwandler umfaßt wenigstens einen Dehnungsmeßstreifen, der auf der Hauptfläche des dehnungsempfindlichen Bereichs integriert ausgebildet ist, wobei auch eine Brückenschaltung vorgesehen ist, die den wenigstens einen Dehnungsmeßstreifen enthält und die einen Ausgangsanschluß aufweist, der mit einem Operationsverstärker verbunden ist. Der invertierende Eingangsanschluß dieses Operationsverstärkers kann mit dem Ausgangsanschluß der Brückenschaltung verbunden sein, wobei die Brückenschaltung als auch der Operationsverstärker auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet sind. Schließlich sind bei diesem bekannten Halbleiterwandler auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat auch Kompensationselemente und Abgleichelemente vorgesehen.

Aus der DE-OS 29 45 185 ist eine Halbleiter-Druckmeßvorrichtung mit einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer Brückenschaltung mit widerstandsbehafteten Halbleiterzonen eines zweiten Leitfähigkeitstyps bekannt, die im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats ausgebildet sind und einen Piezoeffekt zeigen. Im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats dieser bekannten Druckmeßvorrichtung ist eine Halbleiterzone des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet und bildet zusammen mit dem Halbleitersubstrat eine temperaturempfindliche Diode. An die Diode ist eine Stromversorgungseinrichtung zur Lieferung einer Spannung als Speisespannung an die Brückenschaltung angeschlossen, welche einer temperaturbedingten Änderung der Durchlaßspannung der Diode entspricht. Bei dieser bekannten Halbleiter-Druckmeßvorrichtung ist somit eine Kompensationseinrichtung in Form einer Diode vorgesehen.

Aus der GB-PS 20 43 915 ist ein Halbleiterwandler bekannt, der Mittel enthält, um eine Nullpunkt-Temperaturkompensation zu realisieren. Diese bekannte Konstruktion umfaßt parallelgeschaltete Widerstände, die hier jedoch rein die Funktion von Gegenkopplungswiderständen erfüllen, wobei diese Widerstände auch nicht integriert auf der Hauptfläche des Halbleiterchips ausgebildet sind. Diese parallelgeschalteten Widerstände bewirken auch keine Temperaturcharakteristik.

Bei einem aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on Electron Devices", Vol. ED-26, Nr. 12, December 1979, Seiten 1906 bis 1910 ist ein Halbleiterwandler mit einer Anzahl difundierter Dehnungsmeßstreifen bekannt, welche eine Brückenschaltung darstellen, wobei die Dehnungsmeßstreifen auf einer einkristallinen Siliziummembran ausgebildet sind, um einen Druck festzustellen. Ein Ausgang von der Brückenschaltung wird mittels eines Differenzverstärkers verstärkt, welcher dann eine Spannung proportional zu dem festgestellten Druck erzeugt. Ein zusammengesetzter Widerstandswert der Dehnungsstreifen in der Brückenschaltung ist im Vergleich zu einer Eingangsimpedanz des Differenzverstärkers zu groß, um vernachlässigt zu werden, so daß die Verstärkung des Differenzverstärkers infolge der Verbindung mit der Brückenschaltung erniedrigt wird. Um diese Verstärkungsabnahme zu verhindern, wird üblicherweise ein Eingangswiderstand des Verstärkers so eingestellt, daß er groß ist. Andererseits kann zu diesem Zweck auch eine Verstärkerschaltung mit hohem Eingangswiderstand, welche durch eine Anzahl Operationsverstärker gebildet ist, verwendet werden.

Wenn jedoch der Differenzverstärkerteil mit den Dehnungsstreifen auf einem einzigen einkristallinen Siliziumsubstrat integriert ausgebildet ist, ist viel Platz für den Differenzverstärkerteil erforderlich, da er einen hohen Widerstand und einen komplexen Aufbau hat. Folglich kann kein kompakter Halbleiterwandler hergestellt werden.

Da sich außerdem ein Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts eines in dem Differenzverstärker verwendeten Widerstands im allgemeinen von dem der Dehnungsstreifen unterscheidet, ändert sich die Verstärkung des Differenzverstärkers leicht entsprechend Temperaturänderungen in dem herkömmlichen Halbleiterwandler. Um die Verstärkungsschwankungen infolge von solchen Temperaturänderungen auszugleichen, muß ein komplizierter Temperaturkompensator verwendet werden. Abgesehen von diesem Nachteil kann dieser Kompensator in einem großen Bereich von Temperaturänderungen nicht mit hoher Genauigkeit betrieben werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiterwandler mit einem einkristallinen Siliziumsubstrat der angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem eine Abnahme in der Temperaturempfindlichkeit des wenigstens einen Dehnungsmeßstreifens ausgeglichen werden kann, ohne daß eine spezielle Kompensationseinrichtung bzw. Kompensator erforderlich ist und dadurch eine höhere Integrationsdichte bei der Herstellung des Halbleiterwandlers realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß dienen als einzige Kompensationselemente die Parallelwiderstände, während weitere temperaturkompensierende Elemente überflüssig werden.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Ersatzschaltung eines herkömmlichen Halbleiterwandlers;

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht des herkömmlichen, in Fig. 1 dargestellten Halbleiterwandlers;

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer Ersatzschaltung eines weiteren herkömmlichen Halbleiterwandlers;

Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer Ersatzschaltung eines Halbleiterwandlers gemäß einer ersten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm einer Ersatzschaltung eines Halbleiterwandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung:

Fig. 6 eine Kurvendarstellung, in welcher die Beziehung zwischen dem Widerstands- Temperaturkoeffizienten, einer Empfindlichkeit des p-diffundierten Dehnungsmeßstreifens und der Flächendotierungskonzentration gezeigt ist;

Fig. 7 eine Schnittansicht des Halbleiterwandler gemäß der zweiten Ausführungsform;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung der zweiten Ausführungsform und eines entsprechenden Längsschnitts,

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung einer dritten Ausführungsform und deren entsprechenden Längsschnitt;

Fig. 10 eine Schnittansicht eines Bausteins mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterwandler, und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht des äußeren Erscheinungsbildes des in Fig. 10 dargestellten Bausteins.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden zuerst die Schwierigkeiten bei herkömmlichen Wandlern anhand von Fig. 1 bis 3 erläutert. In Fig. 1 und 2 ist ein solcher herkömmlicher Halbleiterwandler dargestellt. In Fig. 1 und 2 weist eine Brückenschaltung 2 diffundierte Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 auf, um einen Druck festzustellen, welcher von außen auf ein Diaphragma 9 ausgeübt wird, das auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist. Eine Spannung wird von einem Energiezufuhranschluß 62 aus an die Brückenschaltung 2 angelegt. Ein Temperaturkompensator 7 ist zwischen dem Anschluß 62 und der Brückenschaltung 2 vorgesehen, um die Temperaturempfindlichkeit der Dehnungsmeßstreifen auszugleichen. Ein Ausgang der Brückenschaltung 2 wird durch einen Differenzverstärker verstärkt, welcher dann eine zu dem Druck proportionale Spannung erzeugt. Der Differenzverstärker weist einen Operationsverstärker 5, einen Widerstand 31 (welcher nachstehend als ein in Reihe geschalteter Widerstand bezeichnet wird), von welchem eine Seite mit einem von zwei Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung 2 und die andere Seite mit dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Operationverstärkers 5 verbunden ist, einen Widerstand 32 (der nachstehend ebenfalls als in Reihe geschalteter Widerstand bezeichnet wird), von welchem eine Seite mit dem anderen der beiden Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung 2 und dessen andere Seite mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) des Operationsverstärkers 5 verbunden ist, und Widerstände 41 und 42 auf, (die nachstehend als parallelgeschaltete Widerstände bezeichnet werden), welche zwischen den invertierenden Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß 61 sowie zwischen den nichtinvertierenden Eingangsanschluß und Erde geschaltet sind.

Hierbei haben sich die folgenden Schwierigkeiten ergeben:

(1) Die Verstärkung des Differenzverstärkers ist durch ein Verhältnis von Widerstandswerten der in Reihe geschalteten Widerstände zu den Widerstandswerten der parallelgeschalteten Widerstände festgelegt. Eine zusammengesetzte Widerstandskomponente der Dehnungsmeßstreifen 21 und 24 wird zu den Widerstandswerten der in Reihe geschalteten Widerstände 31 und 32 hinzuaddiert, wodurch die Verstärkung abnimmt. Um den Einfluß des Widerstandswerts der Dehnungsmeßstreifen auszuschließen, müssen die Widerstandswerte der in Reihe geschalteten Widerstände 31 und 32 ausreichend höher sein als die Widerstandswerte des zusammengesetzten Widerstands der Dehnungsmeßstreifen. Außerdem müssen, um die Verstärkung zu erhöhen, die Widerstandswerte der parallelgeschalteten Widerstände 41 und 42 erhöht werden. Im allgemeinen werden Widerstände mit einem Widerstandswert verwendet, der nicht kleiner als mehrere zehn Kiloohm ist. In diesem Sinn ist es daher schwierig, die Widerstände, welche zu den Dehnungsstreifen gehören, auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat 1 auszubilden, so daß dadurch die Packungsdichte geringer wird.
(2) Zu Änderungen in der Verstärkung des Differenzverstärkers infolge von Temperaturänderungen kommt es infolge einer Differenz zwischen den Widerstands-Temperaturkoeffizienten der in Reihe geschalteten Widerstände und der parallelgeschalteten Widerstände. Im allgemeinen sind die in Reihe geschalteten Widerstände 31 und 32 und die parallelgeschalteten Widerstände 41 und 42 aus demselben Material hergestellt, so daß der Unterschied zwischen den Temperaturkoeffizienten deren Widerstandswerte klein ist und vernachlässigt werden kann. Jedoch sind die Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 mit den in Reihe geschalteten Widerständen 31 und 32 verbunden, so daß die Temperaturkoeffizienten der Widerstandswerte dieser Widerstände beachtet werden müssen. In der herkömmlichen Ausführungsform kommt es gern zu Änderungen in der Verstärkung des Differenzverstärkers. Aus diesem Grund müssen die Widerstandswerte der in Reihe geschalteten Widerstände groß sein, damit eine Änderung in dem zusammengesetzten Widerstand der Dehnungsmeßstreifen im wesentlichen vernachlässigt werden kann, wie es oben unter Punkt (2) ausgeführt ist. Jedoch kann der Einfluß des Widerstandswerts im wesentlichen nicht ausgeschaltet werden. Um die Widerstandsänderung auszugleichen, ist ein Temperaturkompensator 7 vorgesehen. Dadurch wird die Schaltungsanordnung insgesamt kompliziert. Abgesehen von diesem Nachteil kann mit dem Kompensator kein hochgenauer Ausgleich in einem weiten Bereich von Temperaturänderungen durchgeführt werden.
(3) Um den Einfluß der Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen auszuschalten, welcher unter den Punkten (1) und (2) aufgeführt ist, ist ein weiterer in Fig. 3 dargestellter, herkömmlicher Wandler vorgeschlagen, bei welchem eine Filterschaltung mit hohem Eingangswiderstand verwendet ist. In diesem herkömmlichen Wandler ist eine Anzahl Operationsverstärker erforderlich. Wenn die Verstärkerschaltung zusammen mit den Dehnungsmeßstreifen auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet ist, kann keine höhere Integration erhalten werden.

Mit der Erfindung sollen die vorerwähnten Schwierigkeiten gelöst werden und es soll, wie eingangs bereits ausgeführt, ein kompakter, hochintegrierter Halbleiterwandler geschaffen werden. Bevorzugte Ausführungsformen mit Merkmalen nach der Erfindung werden nunmehr anhand der anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. In Fig. 4 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ersatzschaltung eines Halbleiterwandlers gemäß einer ersten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt. Diffundierte Dehnungsstreifen 21 bis 24 sind auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 10 ausgebildet, wodurch eine Brückenschaltung 2 gebildet ist. Eine Spannung wird über einen mit einer Energiequelle verbindbaren Anschluß 62 an die Brückenschaltung 2 angelegt, so daß eine Spannung proportional zu dem Druck an Ausgangsanschlüssen 26 und 27 erscheint. Die Ausgangsanschlüsse 26 und 27 sind unmittelbar mit einem invertierenden Eingangsanschluß 28 bzw. mittelbar mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 29 eines Operationsverstärkers 5 verbunden, ohne daß sie über in Reihe geschaltete Widerstände angeschlossen sind. Parallelgeschaltete Widerstände 81 und 82 sind durch thermische Diffusion auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat 10 auf dieselbe Weise wie die diffundierten Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 ausgebildet. Ein Ende des parallelgeschalteten Widerstands 81 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 5 und sein anderes Ende ist mit einem Ausgangsanschluß 61 verbunden. Ein Ende des parallelgeschalteten Widerstands 82 ist mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß 29 des Operationsverstärkers 5 verbunden, während sein anderes Ende geerdet ist. Jeder der Widerstandswerte der diffundierten Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 ist auf Rg voreingestellt. Eine Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens oder 23, welche durch einen von außen ausgeübten Druck bewirkt ist, ist gegeben durch +Δ R, und eine Widerstandsänderung des Dehnungsmeßstreifens 22 oder 24 ist durch -Δ R gegeben. Jeder der Widerstandswerte der zu dem Operationsverstärker 5 parallelgeschalteten Widerstände 81 und 82 ist durch Rf gegeben. Außerdem soll die Versorgungsspannung Vs betragen. Unter diesem Umständen ergibt sich eine Ausgangsspannung Vo, die an dem Ausgangsanschluß 61 anliegt, wie folgt:

Vo = 2(Rf/Rg) · (Δ R/Rg)Vs (1)

Wenn der von außen ausgeübte Druck bei P liegt, und die Druckempfindlichkeit der Brückenschaltung bei K liegt, ergibt sich die folgende Gleichung:

Vo = 2(Rf/Rg) K · P · Vs für K · P = Δ R/Rg (2)

Wenn eine Änderung in der Temperatur t betrachtet wird, läßt sich die Ausgangsspannung Vo, wie folgt, ableiten:

Vo = 2(Rf/Rg) · K{1 + (α _f - α _g + β _g)t}PVs- (3)

wobei α _g der Widerstandstemperaturkoeffizient jedes der Meßstreifen 21 bis 24 ist, β _g der Empfindlichkeits-Temperaturkoeffizient jedes der Meßstreifen 21 bis 24 ist, und a _f der Widerstandstemperaturkoeffizient jedes der parallelgeschalteten Widerstände 81 und 82 ist.

Der Widerstandstemperaturkoeffizient der Ausgangsspannung Vo an dem Operationsverstärker 5 ist gegeben durch (α _f - α _g + β _g). Wenn eine Differenz zwischen dem Widerstandstemperaturkoeffizienten α _g jedes der Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 und dem Empfindlichkeits-Temperaturkoeffizienten β _g gleich dem Widerstandstemperaturkoeffizienten α _f jedes der parallelgeschalteten Widerstände 81 und 82 ist, ist die Ausgangsspannung Vo an dem Operationsverstärker 5 frei von dem Temperatureinfluß.

Fig. 6 ist eine bekannte Kurvendarstellung, welche die Beziehungen zwischen dem Widerstandstemperaturkoeffizienten α des p-Typ-Diffusionswiderstands und der Flächendotierungskonzentration sowie zwischen dem Empfindlichkeit-Temperaturkoeffizienten β des diffundierten Dehnungsmeßstreifens und der Flächendotierungskonzentration zeigt. Eine gestrichelte Kurve zeigt die Charakteristika des Subtraktionswerts (α - β) an. Um die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsspannung Vo auszuschalten, ist die Flächendotierungskonzentration der Dehnungsmeßstreifen aus solchen entlang der Kurve (α - β) ausgewählt, ist die Flächendotierungskonzentration der parallelgeschalteten Widerstände aus den Werten entlang der ausgezogenen Kurve α ausgewählt, und sind die gewählten Dotierungskonzentrationen so eingestellt, daß (α - β) des Dehnungsmeßstreifens gleich α des parallelgeschalteten Widerstands ist. Diese Beziehung kann ohne weiteres aus Fig. 6 entnommen werden.

Wenn beispielsweise die Flächendotierungskonzentration jedes der diffundierten Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 auf 10¹⁹ bis 10²⁰ Atome/cm³ eingestellt ist, und die Flächendotierungskonzentration jedes der parallelgeschalteten Widerstände 81 und 82 auf etwa 10¹⁸ Atome/cm³ eingestellt ist, ergibt sich die Beziehung (α _f - a _g + β _g) = 0, wodurch dann ein Wandler, welcher frei von einer Temperaturabhängigkeit ist, erhalten werden kann. Um die optimale Wirkung des erfindungsgemäßen Wandlers mit hoher Genauigkeit zu erhalten, müssen die diffundierten Dehnungsmeßstreifen auf derselben Temperatur wie die der parallelgeschalteten Widerstände gehalten werden. Zu diesem Zweck sind diese Elemente vorzugsweise auf einem einzigen einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet. Vorzugsweise sind die Elemente auch noch nebeneinander ausgebildet.

Um eine hohe Verstärkung zu erhalten, muß das Verhältnis Rf/Rg erhöht werden, wie durch Gl. (1) gezeigt ist. In Verbindung hiermit ist der Widerstandswert des diffundierten Widerstands im wesentlichen umgekehrt proportional der Flächendotierungskonzentration. Wenn eine Flächendotierungskonzentration der parallelgeschalteten Widerstände so gewählt ist, daß sie höher als die der Dehnungsmeßstreifen ist, wird eine höhere Verstärkung erhalten.

In Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagramm einer Ersatzschaltung eines Halbleiterwandlers gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein weiterer Verstärker zu dem in Fig. 4 dargestellten Wandler hinzugefügt. Außerdem sind Spannungsnebenschlußwiderstände 33 und 34 verwendet, um eine Nullsteuerschaltung für die Ausgangsspannung zu bilden. In diesem Sinne wird dann der Halbleiterwandler gemäß der zweiten Ausführungsform praktischer als der gemäß der ersten Ausführungsform. Diffundierte Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24, Operationsverstärker 51 und 52, parallelgeschaltete Widerstände 81 und 82, die Widerstände 33 und 34 und die Widerstände 45 und 46 sind auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat 11 integriert ausgebildet.

Fig. 7 ist eine Schnittansicht durch den Halbleiterwandler gemäß der zweiten Ausführungsform. In Fig. 8 sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht dieses Wandlers wiedergegeben. Eine epitaktische Schicht 104 ist auf einer einkristallinen Siliziumunterlage 101 aufgewachsen, um so ein einkristallines Siliziumsubstrat 11 zu bilden. Elektrische Isolations-Diffusionsschichten 103 sind auf der Hauptfläche ausgebildet, um gewünschte Elementformationsbereiche 12 a, 12 b, . . . und 12 d zu schaffen. Die andere Hauptfläche (die rückseitige Fläche) des einkristallinen Siliziumsubstrats 11 ist geätzt, um ein Diaphragma 9 als einen dünnen dehnungsempfindlichen Bereich auszubilden. Beispielsweise sind die diffundierten Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24, der parallelgeschaltete Widerstand 81 und ein npn-Widerstand 105 auf den Elementformationsbereichen 12 a, 12 b . . . und 12 d ausgebildet. Eine dünne Siliziumoxidschicht ist auf der gesamten Oberfläche des Substrats 11 aufgebracht und ist strukturiert, um ein dünnes Siliziumoxid-Schichtmuster 106 zu erhalten. Eine dünne Aluminiumschicht wird aufgebracht, um die gesamte Oberfläche abzudecken, und wird dann strukturiert, um gewünschte Aluminiumelektroden und -leitungen 104 zu erhalten. In Fig. 7 ist nur ein Teil des Halbleiterwandlers dargestellt. In der Praxis sind eine Anzahl Elementanordnungen ausgebildet, um die in Fig. 5 dargestellte Ersatzschaltung zu schaffen.

In Fig. 5, 7 und 9 sind die diffundierten Dehnungsmeßstreifen durch thermische Diffusion oder Ionenimplantation bei einer Flächendotierungskonzentration von etwa 1,5 × 10¹⁹ Atome/cm³ ausgebildet. Die parallelgeschalteten Widerstände 81 und 82 sind nach demselben Verfahren mit einer Flächendotierungskonzentration von etwa 1,5 × 10¹⁸ Atome/cm³ ausgebildet, um die Beziehung zu erhalten, daß die Differenz zwischen dem Widerstandstemperaturkoeffizienten α _g jeder der diffundierten Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 und der Empfindlichkeits-Temperaturkoeffizient β _g im wesentlichen dieselben sind, wie der Widerstandstemperaturkoeffizient α _f jedes der parallelgeschalteten Widerstände 81 und 82. Während der Ausbildung der parallelgeschalteten Widerstände werden auch die anderen Widerstände 33, 34, 45 und 46 und der Basisbereich des in dem Operationsverstärker 51 und 52 verwendeten npn-Transistors ausgebildet.

Obwohl gemäß der zweiten Ausführungsform die Größe des einkristallinen Siliziumsubstrats 11 klein ist und nur 1 mm × 1 mm × 0,4 mm beträgt, ist die erhaltene Gesamtverstärkung das 100fache des Eingangspegels. Eine Ausgangsspannung von 1 bis 4 V kann mit einer guten Linearität erhalten werden, wenn die Versorgungsspannung bei 5 V eingestellt ist, und die Druckänderungen in dem Bereich von 0 bis 750 mm Hg liegen. Obwohl kein Kompensator für die äußere Temperatur verwendet ist, kann die Temperaturempfindlichkeitscharakteristik mit 0,05%/°C in dem Temperaturbereich von -30°C bis 110°C angegeben werden.

Nunmehr wird die dritte Ausführungsform beschrieben. In Fig. 9 sind schematische Ansichten eines Halbleiterwandlers gemäß der dritten Ausführungsform dargestellt. Das Hauptmerkmal dieser Ausführungsform liegt darin, daß die Wirkung der Erfindung noch weiter unterstrichen wird, und eine höhere Integration erreicht werden kann. Eine Brückenschaltung 2 mit Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 und eine weitere Brückenschaltung 2′ mit Dehnungsmeßstreifen 21′ bis 24′ sind auf der Hauptfläche eines Diaphragma 9 ausgebildet. Der rechtsseitige Teil ist eine Verstärkerschaltung, welche Operationsverstärker 51 und 52, parallelgeschaltete Widerstände 81 bis 84 usw. aufweist und eine Verstärkung von 100 hat. Eine Ausgangsspannung kann an einem Ausgangsanschluß 61 in Voltwerten entnommen werden. Der linksseitige Teil ist eine Verstärkerschaltung, welche einen Operationsverstärker 53, parallelgeschaltete Widerstände 85 und 86 usw. aufweist. Diese Verstärkerschaltung verstärkt eine Ausgangsspannung an der Brückenschaltung 2′, und die verstärkte Spannung wird durch einen Spannungs-Frequenz- Umsetzer 500 in ein Frequenzsignal umgesetzt, welche eine Frequenzänderung wiedergibt, die proportional zu einer Druckänderung ist. Dieses Frequenzssignal erscheint an einem Ausgangsanschluß 66. Somit ist ein Halbleiterwandler geschaffen, der einen hochgenauen analogen Ausgang und einen Frequenzausgang mit einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis hat.

Fig. 10 ist eine Schnittansicht einer Baueinheit mit dem Halbleiterwandler gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform, um einen absoluten Druck festzustellen. Das einkristalline Siliziumsubstrat 11 ist auf eine Glasunterlage 73 geklebt, wobei Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt verwendet ist, oder es ist durch eine anodische Verbindung verbunden. Ein Hohlraum 78, der von dem Diaphragma 9 und der Glasunterlage 73 eingeschlossen ist, ist in einem luftleeren Zustand gehalten. Die Glasunterlage 73 ist durch einen Klebstoff, wie Silikongummi, mit dem Boden eines Keramikeinsatzes 71 verbunden. Ein-/Ausgangs-Elektrodenanschlüsse des einkristallinen Siliziumsubstrats und Metallelektrodenanschlüsse des laminierten Keramikeinsatzes 71 sind über eine vorbestimmte Anzahl von Goldleitungen 610 durch eine Ultraschallverbindung angeschlossen. Externe Leitungen 601 und 602 sind mit den Metallelektrodenanschlüssen an der äußeren Seitenfläche des laminierten Keramikeinsatzes 71 verlötet. Eine Druckleitung 74 verläuft durch eine Kappe 72 und ist in dieser hart verlötet. Die Kappe 72 ist an der oberen Fläche des laminierten Keramikeinsatzes 71 hart verlötet. Der Aufbau ist abgesehen von dem Rohr 74 luftdicht abgedichtet.

In Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht der in Fig. 10 dargestellten Baueinheit wiedergegeben. Bei Verwendung der in Fig. 10 und 11 dargestellten Baueinheit kann der Halbleiterwandler in derselben Weise wie andere im Handel erhältliche integrierte Schaltungen (IC) verwendet werden. Somit kann der Halbleiterwandler gemäß der Erfindung auf die gleiche Weise wie normale elektronische Elemente behandelt werden. Bei Verwenden des Halbleiterwandlers kann ein kompaktes, hochgenaues Manometer oder Barometer geschaffen werden.

Die vorstehend wiedergegebenen Ausführungsformen sind nur, um die Darstellung zu vereinfachen, auf eine Druckfeststellung beschränkt; die Erfindung kann genausogut auch bei allen anderen Halbleiterwandlern zum Feststellen einer Dehnung, einer Belastung, einer Verschiebung, eines Drehmoments u. ä. angewendet werden. In der Brückenschaltung mit vier Dehnungsmeßstreifen, wie in jedem der obigen Ausführungsformen beschrieben ist, kann ein in Reihe geschalteter oder parallelgeschalteter Widerstand erforderlichenfalls zwischen die Dehnungsmeßstreifen geschaltet werden, um so eine Nullpunktsteuerung der Brückenschaltung oder einen Temperaturausgleich für die Ausgangsempfindlichkeit zu schaffen. In diesem Fall wird ein zusammengesetzter Widerstandswert wie im Falle der Ersatzschaltung der Brückenschaltung verwendet.

Claims

1. Halbleiterwandler mit einem einkristallinen Siliziumsubstrat (10, 11), mit einem auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildeten dehnungsempfindlichen Bereich (9) mit einer Hauptfläche, mit wenigstens einem Dehnungsmeßstreifen (21, 22, 23, 24), der auf der Hauptfläche des dehnungsempfindlichen Bereichs (9) integriert ausgebildet ist, mit einer den Dehnungsmeßstreifen enthaltenden Brückenschaltung (2), die einen Ausgangsanschluß aufweist, mit einem Operationsverstärker (5; 51, 52) mit einem invertierenden Eingangsanschluß, der mit dem Ausgangsanschluß der Brückenschaltung verbunden ist, wobei die Brückenschaltung, der Operationsverstärker und Temperaturkompensationselemente auf dem einkristallinen Siliziumsubstrat ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) als einziges Kompensationselement wenigstens ein parallel geschalteter Widerstand (81, 82, 85, 86), dessen eines Ende mit dem invertierenden Eingangsanschluß und dessen anderes Ende mit einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (5; 51, 53) verbunden ist, integriert auf der Hauptfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats ausgebildet ist, und
b) der wenigstens eine parallel geschalteten Widerstand (81, 82; 85, 86) einen Widerstands-Temperaturkoeffizienten ( α _f ) aufweist, der gleich ist wie die Differenz zwischen dem Widerstands-Temperaturkoeffizienten ( α _g ) des Dehnungsmeßstreifens (21, 22, 23, 24) und dem Empfindlichkeits-Temperaturkoeffizienten ( b _g ) des Dehnungsmeßstreifens (21, 22, 23, 24).

2. Halbleiterwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einkristalline Siliziumsubstrat einen ersten Leitungstyp aufweist, und daß der Dehnungsmeßstreifen (21 bis 24) und der wenigstens eine parallelgeschaltete Widerstand (81, 82) einen zweiten Leitungstyp aufweisen.

3. Halbleiterwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Hauptfläche eine epitaktische Schicht eines ersten Leitungstyps auf einer einkristallinen Siliziumunterlage ausgebildet wird, und daß der Operationsverstärker (5, 51, 52) auf der Hauptfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats integriert ausgebildet ist.

4. Halbleiterwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine parallel geschaltete Widerstand (81, 82) eine niedrigere Oberflächendotierungskonzentration als die der Dehnungsmeßstreifen (21 bis 24) hat, wobei die Oberflächendotierungskonzentration der Dehnungsmeßstreifen in den Bereich 10¹⁶ bis 10²¹ Atome/cm³ fällt, und die Oberflächendotierungskonzentration des wenigstens einen parallelgeschalteten Widerstands (81, 82) in den Bereich von 10¹⁵ bis 10¹⁹ Atome/cm³ fällt.

5. Halbleiterwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine parallelgeschaltete Widerstand (81, 82) in der Nähe des Dehnungsmeßstreifens (21 bis 24) ausgebildet ist.

6. Halbleiterwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Isolationsdiffussionsschicht auf der Hauptfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats ausgebildet ist, um entsprechende Elementbereiche voneinander zu trennen, und daß eine dünne Isolierschicht auf der Hauptfläche des einkristallinen Siliziumsubstrats ausgebildet ist, das Element in den entsprechenden, isolierten Elementbereichen hat.

7. Halbleiterwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Operationsverstärker (52) mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers (51) verbunden ist, und daß einer seiner Eingangsanschlüsse eine Spannung erhält, die durch Nebenschließen einer Versorgungsspannung erhalten worden ist, um so einen Nullpunkt zu steuern.