DE3708036A1

DE3708036A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3708036A1
Application number: DE19873708036
Authority: DE
Inventors: Teruyoshi Mihara
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1986-03-14
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1987-09-17
Also published as: JPH0567073B2; DE3708036C2; JPS62213280A; US4836025A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser und speziell auf einen Sensor, der einen piezoelektrischen Widerstandseffekt dazu ausnutzt, die Größe einer Kraft G zu ermitteln, die einem beweglichen Massenelement desselben vermittelt wird.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen bekannten Halbleiter-Beschleunigungsmesser, der in IEEE Elektron Devices, Band ED-26, Nr. 12, P1911, Dezember 1979 beschrieben ist. Diese bekannte Anordnung besteht aus einem monokristallinen Siliciumplättchen als Basiselement 1, in welchem ein im wesentlichen rechteckiger Ausschnitt 2 ausgebildet ist. Dieser Ausschnitt definiert einen im wesentlichen rechteckigen Abschnitt 3, der mit dem Rest des Basiselements über einen brückenartigen Abschnitt 4 verbunden ist. Die Unterseite des Basiselements 1 ist derart vertieft ausgeführt, daß die Dicke des Brückenabschnitts 4 vermindert ist, so daß dieser dadurch relativ flexibel wird. Mit dieser Gestaltung des rechteckigen Abschnitts 3, der in dem Ausschnitt angeordnet ist, kann der rechteckige Abschnitt 3 als ein Pendel oder Massenelement wirken, das auf die Beschleunigungskräfte anspricht, die ihm vermittelt werden, wenn die Vorrichtung einer Beschleunigung unterworfen wird.

Vier Piezowiderstände 5 a bis 5 d sind auf der Oberseite des Basiselements 1 ausgebildet. Jeder dieser Widerstände ist durch P-Bereiche definiert. Drei stark dotierte P+-Bereiche 6 bis 8 sind so wie in Fig. 1 dargestellt ausgebildet und wirken als Leitungen für die Herstellung elektrischen Kontaktes zwischen den Widerständen und einer äußeren Schaltung, mit der das Halbleiterplättchen verbunden ist.

Das Plättchen ist in einem Glasgehäuse angeordnet, das mit einem geeigneten flüssigen oder gasförmigen Dämpfungsfluid gefüllt ist.

Wenn eine Beschleunigungskraft auf den Brückenabschnitt 4 einwirkt, dann verbiegen sich die Piezowiderstände 5 a und 5 b, die darauf ausgebildet sind. Dies hat eine Veränderung der Widerstandswerte der Widerstandselemente zur Folge. Wenn man die Widerstände in geeigneter Weise mit einer Brückenschaltung verbindet und entweder die Spannungsänderung oder die Stromänderung mißt, die von der Widerstandsänderung hervorgerufen wird, dann läßt sich der Krafteinfluß, der aus der Beschleunigung resultiert, dem das Massenelement unterworfen ist, messen.

Diese bekannte Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Fläche, auf der die Piezowiderstände 5 a bis 5 d ausgebildet sind, unbedeckt ist und daher elektrische Kriechströme auftreten können, die die Stabilität beeinträchtigen, mit der Messungen ausgeführt werden können.

Um dieses Problem zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, über der Oberfläche des Plättchens unter Verwendung einer Planartentechnik eine SiO₂-Membran (nicht dargestellt) auszubilden. Hiermit läßt sich zwar das Kriechstromproblem beseitigen, man handelt sich damit jedoch den Nachteil ein, daß aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des monokristallinen Siliciumplättchens 1 und der SiO₂-Membran Dickenunterschiede der Silicium- und SiO₂-Schichten, in denen die Meß- und Bezugs-Piezowiderstände 5 a, 5 b bzw. 5 c und 5 d angeordnet sind, das Ausmaß der Durchbiegung des Brückenabschnitts temperaturabhängig machen und eine unterschiedliche Temperaturdrift hervorrufen, die die Genauigkeit der Vorrichtung beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor anzugeben, der temperaturkompensiert ist und eine genaue Beschleunigungsmessung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung wird ein Halbleiterbeschleunigungsmesser angegeben, bei dem zur Vermeidung einer Differenz in der Temperaturdrift, die durch eine Differenz von Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitersubstrats und einer isolierenden Oxidschicht darauf hervorgerufen wird, die Piezowiderstände, die die Bewegung des Massenelements in Abhängigkeit von Beschleunigungskräften messen, und die Piezowiderstände, die als Bezugselemente wirken, auf getrennten Abschnitten des Halbleiters angeordnet sind, die gleichmäßige Dicke aufweisen. Die Piezowiderstände sind derart verschaltet, daß sie eine Brückenschaltung bilden, deren Ausgang mit dem Ausmaß der Durchbiegung des Abschnitts variiert, auf welchem die Meßwiderstände ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 und 2 die bekannte, oben beschriebene Anordnung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 und 5 Schnitte längs der Linien IV-IV bzw. V-V von Fig. 3;

Fig. 6 bis 12 die verschiedenen Stufen bei der Herstellung der Anordnung nach den Fig. 3 bis 5;

Fig. 13 eine Brückenschaltung, die bei der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und

Fig. 14 eine schematische Darstellung (in leicht übertriebener Art) des Krümmungsradius, der während des Betriebs der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugt wird.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein Ausschnitt 102 so ausgebildet, daß er eine Gestalt hat, die im wesentlichen gleich jener der bekannten, in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung ist. Im Falle der vorliegenden Erfindung ist die Gestalt des Ausschnitts jedoch so getroffen, daß sich ein zungenartiger Temperaturkompensationsabschnitt 104 ergibt, der in eine Richtung vorsteht, die im wesentlichen parallel zu einem Brückenabschnitt 106 liegt, der das bewegliche Massenelement 108 an dem Baiskörper 100 enthält. Der Temperaturkompensationsschnitt 104 ist so gestaltet, daß seine Dicke im wesentlichen gleich der Dicke des Brückenabschnitts 106 ist. Die Bedeutung dieses Merkmals geht aus der anschließenden Erläuterung hervor.

Die Oberseite des monokristallinen P-Plättchens ist mit einer N-Epitaxialschicht 110 versehen , in der Piezowiderstände 112 a und 112 b durch P-dotierte Bereiche ausgebildet sind. Entsprechende Piezowiderstände 112 c und 112 d sind in dem Temperaturkompensationsabschnitt 104 ausgebildet. Die Piezowiderstände 112 a und 112 b, die in dem "flexiblen" Brückenabschnitt 106 ausgebildet sind, sprechen aufgrund ihrer Gestalt auf die Durchbiegung dieses Abschnitts an und sind daher auf Beschleunigungskräfte, die an dem Massenelement 108 wirken, empfindlich. Aufgrund der vernachlässigbaren Durchbiegung des Temperaturkorrekturabschnitts 104 sind die Piezoelemente 112 c und 112 d, die dort ausgebildet sind, auf Beschleunigungskräfte (G) extrem unempfindlich.

Eine isolierende SiO₂-Membran 114 ist über den Widerständen und der Oberfläche der Epitaxialschicht 110 ausgebildet. Auf dieser Schicht sind Verbindungselektroden 116 ausgebildet, die geeignete elektrische Verbindungen zwischen den Piezowiderständen 112 a und 112 d herstellen und die Ausbildung einer Brückenschaltung von der Art ermöglichen, wie sie in Fig. 13 dargestellt ist.

Eine Phosphorsilikatglasschicht 118 ist über der Oberseite der Vorrichtung in der dargestellten Art ausgebildet.

Der oben beschriebene Sensor wird auf die nachfolgend beschriebene Weise hergestellt.

(1) Ein Basiselement oder Plättchen 100 vom P-Typ mit einer kristallographischen Fläche (100), einem relativen Widerstand von ungefähr 5 Ω. cm und einer Dicke von etwa 400 µm wird mit einer N-leitenden Epitaxialschicht 110 einer Dicke in der Größenordnung von 10 µm und eines relativen Widerstandes von etwa 10 Ω. cm bedeckt. Es sei hervorgehoben, daß die Dicke dieser Epitaxialschicht 110 entsprechend der gewünschten Empfindlichkeit des Sensors gewählt ist und folglich auch von dem angegebenen Maß abweichen kann.
(2) Mit Hilfe eines thermischen Oxidationsvorgangs wird auf der Oberseite der Epitaxialschicht 110 eine SiO₂-Schicht 114 ausgebildet. Diese Schicht 114 wird so modifiziert, daß eine Maske gebildet wird, durch die eine Dotierung eines relativ großen Bereiches 119 vom P-leitenden Typ ermöglicht wird. Dieser Bereich 119 wird später entfernt, um den im wesentlichen rechteckigen Ausschnitt 102 zu bilden, der das Massenelement 108 und den Temperaturkorrekturabschnitt 104 ausbildet.
(3) Alle n+-leitenden Bereiche 120, die Verbindungen bilden, die später dazu dienen, die Epitaxialschicht 110 mit später hergestellten Anschlußelektroden 116 zu verbinden und die in einem später beschriebenen elektrochemischen Ätzvorgang verwendet werden, werden in der Epitaxialschicht 110 mittels einer Maskier- und Dotiertechnik ähnlich der oben beschriebenen ausgebildet.
(4) Anschließend werden, wie Fig. 9, zeigt, Piezowiderstände 112 a bis 112 d in der Epitaxialschicht 110 durch Dotierung ausgewählter Bereiche gebildet. Die Bereiche, die während dieses Vorgangs ausgebildet werden, enthalten eine Konzentration von etwa 1 × 10¹⁸ cm^-3 einer ausgewählten Verunreinigung vom P-Typ. Es sei hervorgehoben, daß die Dehnungscharakteristika der Piezowiderstände 112 a und 112 b von der Konzentration der Dotierungsverunreinigung abhängen und daß die Empfindlichkeit der Widerstände hoch ist, wenn die Verunreinigungskonzentration niedrig ist. Dementsprechend muß bei diesem Schritt sorgfältig gearbeitet werden, um sicherzustellen, daß das geeignete Ausmaß an Imprägnierung gleichmäßig erreicht wird.
(5) Anschließend wird eine zweite SiO₂-Schicht 121 von etwa 1 µm Dicke auf der Unterseite des Plättchens ausgebildet und dann in Bereitschaft für das elektrochemische Ätzen modifiziert. Während dieses Schrittes werden Anschlußelektroden 116 auf der Oberseite der SiO₂-Schicht 114 derart ausgebildet, daß eine selektive elektrische Verbindung der Piezowiderstände 112 a bis 112 d und der Epitaxialschicht 110 mit der äußeren Schaltung, mit der das fertige Plättchen zu verbinden ist, ermöglicht wird.
(6) Im Anschluß daran werden die isolierende Membran 118 aus Phosphorsilikatglas einer Dicke von etwa 7000 Å und eine Hilfselektrode 123 für das elektromechanische Ätzen in einer Weise ausgebildet, wie in Fig. 11 gezeigt. Es sei betont, daß die Ätzelektrode 123 dazu vorgesehen ist, elektrischen Kontakt nur mit den Anschlußelektroden 116 herzustellen, die den n+-Bereichen 120 zugeordnet sind.

Sodann wird das Plättchen in eine alkalische Ätzlösung getaucht, bestehend aus einer wäßrigen Lösung aus Kaliumhydroxyd oder einer Mischung aus Wasser und einem geeigneten organischen Reagenz, und elektrochemischem Ätzen unterworfen, bei dem die Ätzelektrode als Anode verwendet wird und eine Platinelektrode als Kathode dient. Das P-Material wird von der Unterseite des Plättchens entfernt, bis der in Fig. 11 dargestellte Zustand erreicht ist. Da die Ätzelektrode als Anode verwendet wird, hört der Ätzvorgang an der PN-Grenzfläche auf, was eine genaue Beeinflussung der Dicke der Brücke und der Temperaturkompensationsabschnitte 106 und 104 ermöglicht.

Die letzte Herstellungsstufe führt zu der Anordnung, die in Fig. 12 dargestellt ist, und umfaßt die Entfernung der Hilfsätzelektrode 123 und der Kontaktelektroden 116, die den n+-Bereichen 120 zugeordnet sind, das Auffüllen der Lücken, die nach dem Entfernen der soeben erwähnten Kontaktelektroden 116 zurückgeblieben sind, mit Phosphorsilikatglas, die Entfernung des Teils der SiO₂-Schicht 114, der über dem nun leeren Raum liegt, der zuvor von dem P-Bereich 119 eingenommen worden ist, und die Entfernung der Phosphorsilikatglasschicht 118 unmittelbar darüber.

Wenn bei dieser Anordnung eine Beschleunigungskraft auf das Massenelement 108 einwirkt und der Brückenabschnitt 106 einer Durchbiegung unterworfen wird, dann nehmen die Widerstandswerte der Piezowiderstände 112 a und 112 b zu, wodurch die Größe des Potentials Vo, das über der Brückenschaltung entwickelt wird, zunimmt. Dieses Potential gibt die Kraft an, die auf das Massenelement 108 einwirkt.

Fig. 14 der Zeichnungen zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Brückenabschnitts, wenn dieser einer Durchbiegung unterworfen ist. Es sei hervorgehoben, daß die Krümmung in dieser Darstellung übertrieben ist, um die Erläuterung zu erleichtern. Aufgrund der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Silicium und SiO₂ kann man den Brückenabschnitt 106 als ein System definierend ansehen, das einem Bimetallstreifen vergleichbar ist und durch die folgende Gleichung angegeben wird:

r = 1/δ(α1 - α2).Δ T × (E 1/E 2) × (d 1 ²/d 2) (1),

wobei

r =,6Krümmungsradius, δ =,6Konstante, α ₁ =,6Ausdehnungskoeffizient von Silicium (ungefähr 2,4 × 10^-6/°C), α ₂ =,6Ausdehnungskoeffizient von SiO₂ (ungefähr 0,4 × 10^-8/°C), E 1 =,6das Young-Modul von Silicium (ungefähr 1,9 × 10¹² dyn/cm²), E 2 =,6das Young-Modul von SiO₂ (ungefähr 0,7 × 10¹² dyn/cm²), d 1 =,6Dicke der Siliciumschicht, d 2 =,6Dicke der SiO₂-Schicht, und Δ T =,6Temperaturdifferenz zwischen den Si- und SiO₂-Schichten.

Wie man aus der obigen Gleichung (1) hinsichtlich des Temperatureinflusses auf die Durchbiegung des Brückenabschnittes 106 ersieht, sind die auf die Durchbiegung einwirkenden hauptsächlichen konstruktionsbedingten Einflüsse auf die Abmessungen in Richtung der Dicke des Brückenabschnitts beschränkt und sind die Länge und die Breite desselben irrelevant.

Da nun die Dicke des Brückenabschnitts 106 bei Verwendung der oben beschriebenen Herstellungstechnik genau bestimmt werden kann und die "Meß"- und "Referenz"-Piezowiderstände 112 a und 112 b bzw. 112 c und 112 d auf Elementen ausgebildet sind, die übereinstimmende Dicke aufweisen (es sei angemerkt, daß der Temperaturkorrekturabschnitt 104 durch die Beschleunigungskraft, die auf das Massenelement einwirkt, im wesentlichen nicht beeinflußt wird und daß der Krümmungsradius desselben im wesentlichen unendlich ist), ist es durch Verbindung der Piezowiderstände 112 a und 112 b auf dem Brückenabschnitt 106 mit den Piezowiderständen 112 c und 112 d auf dem Temperaturkompensationabschnitt in einer Weise, wie in Fig. 13 dargestellt, möglich, eine Kompensation zu erzielen und dadurch jeglichen Einfluß auszuschalten, der durch Temperaturänderungen erzeugt werden könnte, wodurch eine hohe Meßgenauigkeit für die auf das Massenelement 108 einwirkende Beschleunigungskraft erreicht wird.

Da die Spannung Vo, die von der Brückenschaltung erzeugt wird, eine gute Korrelation mit der dem Massenelement 108 vermittelten Beschleunigungskraft zeigt, ist es möglich, daß die Piezowiderstände, die in dem Temperaturkorrekturabschnitt 104 ausgebildet sind, eine relativ niedrige Empfindlichkeit zeigen und relativ lang und breit ausgebildet werden können, ohne daß irgendein nachteiliger Einfluß auf die Genauigkeit der Vorrichtung befürchtet werden muß. D. h., es ist nicht notwendig, die Präzision bei der Herstellung derselben zu übertreiben.

Claims

1. Beschleunigungsmesser, gekennzeichnet durch:
einen Körper (100) aus einem Halbleitermaterial;
ein Massenelement (108);
einen Brückenabschnitt (106), der den Körper (100) und das Massenelement (108) miteinander verbindet und eine vorbestimmte Dicke hat;
einen Abschnitt (104), der sich von dem Körper (100) erstreckt und im wesentlichen die gleiche Dicke wie der Brückenabschnitt (106) hat;
erste und zweite Piezowiderstände (112 a), 112 b), die in dem Brückenabschnitt (106) ausgebildet sind und dazu eingerichtet sind, einer Dehnung unterworfen zu werden, wenn eine Kraft auf das Massenelement (108) derart einwirkt, daß der Brückenabschnitt durchgebogen wird;
dritte und vierte Piezowiderstände (112 c, 112 d), die in dem genannten weiteren Abschnitt (104) ausgebildet sind, und
eine Einrichtung (116) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen den ersten, zweiten, dritten und vierten Piezowiderständen und Erzeugung einer Schaltung, die ein Ausgangssignal (Vo) erzeugt, die die Größe der Kraft anzeigt, die auf das Massenelement (108) einwirkt.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (100) einen Basisabschnitt umfaßt, bestehend aus einer ersten Art Halbleitermaterial (P) und einer Epitaxialschicht (110) auf der Oberseite desselben, wobei die Epitaxialschicht (110) von einer zweiten Art Halbleitermaterial (N) ist und eine im wesentlichen gleichförmige Dicke aufweist, wobei die ersten, zweiten, dritten und vierten Piezowiderstände (112 a bis 112 d) in der Epitaxialschicht (110) ausgebildet sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Isolierschicht (114) aufweist, die auf der Oberseite der Epitaxialschicht (110) ausgebildet ist und die die ersten bis vierten Piezowiderstände (112 a bis 112 d) bedeckt und sich über den Brückenabschnitt (106) und den weiteren Abschnitt (104) erstreckt, auf dem die dritten und vierten Widerstände (112 c, 112 d) ausgebildet sind.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zur Ausbildung einer Vertiefung in dem Basisabschnitt enthält, der sich von der Unterseite des Basiselements bis zur Epitaxialschicht (110) erstreckt, wobei sich die Vertiefung unter dem Brückenabschnitt (106) und dem weiteren Abschnitt (104), auf dem die dritten und vierten Piezowiderstände ausgebildet sind, erstreckt, wobei die Vertiefung eine Einrichtung darstellt, die die Dicke des Brückenabschnitts (106) und des weiteren Abschnitts, auf dem die dritten und vierten Piezowiderstände ausgebildet sind, auf die Dicke der Epitaxialschicht (110) vermindert.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin enthält:
Elektroden (116), die auf der Oberfläche der ersten Isolierschicht (114) ausgebildet sind und die Teil der elektrischen Verbindungseinrichtung bilden, wobei die elektrische Verbindungseinrichtung eine Brückenschaltung herstellt, deren Ausgang (Vo) mit der Widerstandsänderung der ersten und zweiten Piezowiderstände (112 a, 112 b) variiert, und
eine zweite Isolierschicht (118), die über der Oberfläche der Elektroden und der ersten Isolierschicht (114) ausgebildet ist.

6. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Abschnitt (104), auf dem die dritten und vierten Piezowiderstände (112 c, 112 d) ausgebildet sind, so angeordnet ist, daß er sich von dem Körper (100) im wesentlichen parallel zu dem Brückenabschnitt (106) erstreckt.