DE3708036A1 - Beschleunigungsmesser - Google Patents
BeschleunigungsmesserInfo
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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 (6)
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.
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.
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.
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