DE3725311A1

DE3725311A1 - Halbleiterdruckfuehler

Info

Publication number: DE3725311A1
Application number: DE19873725311
Authority: DE
Inventors: Atsushi Miyazaki; Ryoichi Kobayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-01
Filing date: 1987-07-30
Publication date: 1988-02-04
Also published as: DE3725311C2; GB8717779D0; JPH0691265B2; GB2193577A; JPS6337673A; FR2602335A1; US4813272A; KR920001226B1; GB2193577B; FR2602335B1; KR880003177A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterdruckfühler und insbesondere auf einen Halbleiterdruckfühler, der sich zur Verwendung beim Steuern der Zündpunkteinstellung oder Kraft stoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen eignet und der eine Hoch genauigkeits-Temperaturkompensation über einen weiten Bereich von Temperaturen ermöglicht.

Allgemein besteht der Halbleiterdehnungsmesser, der einen Halbleiterdruckfühler darstellt, aus einem P-diffundierten Wider stand, der auf einem N-Siliziumsubstrat gebildet ist, und der Temperaturkoeffizient des Widerstandes und der Temperaturko effizient des Meßänderungskoeffizienten (Widerstandsänderungs koeffizient je Dehnungseinheit) sind jeweils von der Ober flächenverunreinigungskonzentration zur Zeit der Diffusion abhängig.

Es ist beispielsweise in "Collection of Papers Scheduled to be Presented at 36th Meeting of Applied Physics Society 24a-D-6 (1975)", Seite 62, Zeilen 16 bis 19 (vorgetragen von Shimazoe und Yamada) offenbart, daß, im Falle, wo ein Druck fühler, bei dem ein Halbleiterdehnungsmesser der oben beschrie benen Art auf einer Siliziummembran in der Form einer Wheat stone-Brücke ausgebildet ist, wenn dieser Druckfühler mit einem konstanten Strom angetrieben wird, der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit das Minimum erreicht, wenn die Oberflächen verunreinigungskonzentration 10¹⁸ Atome/cm³ und 10²⁰ Atome/cm³ ist, d. h., der Temperaturänderungskoeffizient des Halbleiter dehnungsmessers ist bei diesen Oberflächenverunreinigungskon zentrationen Null.

Nach der Angabe im Anspruch 1 der JP-OS 1 13 379/1980 ("Process for Producing Semiconductor Pressure-Sensitive Device", veröffentlicht am 1. 9. 1980) und nach der Beschreibung auf Seite 353, rechte Spalte, Zeilen 3 bis 6 ist es möglich, die Oberfläche des in einer Halbleiterdruckfühleranordnung verwendeten Piezowiderstandselements zu ebnen und die Tempera turabhängigkeit seiner Empfindlichkeit zu minimieren, indem man die Oberflächenverunreinigungskonzentration in der Nähe von 2 × 10²⁰ Atomen/cm³ einstellt.

Druckfühler, insbesondere solche, die zur Steuerung der Zündpunkteinstellung oder Brennstoffeinspritzung in Kraft fahrzeugen verwendet werden, kommen in rauhen Umgebungen zum Einsatz und müssen geeignet sein, Änderungen des Einlaßdrucks im Einlaßverteiler bei von 40°C bis 120°C genau zu messen.

Bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist je doch, obwohl es möglich ist, die Temperaturabhängigkeit inner halb eines verhältnismäßig engen Temperaturbereichs, insbe sondere von 10°C bis 60°C, zu eliminieren, die Empfindlichkeit der bekannten Druckfühler von der Temperatur in den von dem vorstehend beschriebenen Temperaturbereich abweichenden Niedrig- oder Hochtemperaturbereichen abhängig, und es ist erforderlich, in den Hoch- und Niedrigtemperaturbereichen eine Temperatur kompensation vorzunehmen. In einem solchen Fall ist es, da Halb leiterdehnungsmesser positive Temperatureigenschaften in den (später im einzelnen beschriebenen) Niedrig- und Hochtemperatur bereichen haben, unmöglich, eine befriedigende Temperaturkompen sation sowohl in den Niedrig-, als auch in den Hochtemperatur bereichen mit Thermistoren durchzuführen, die nur positive Temperatureigenschaften haben. Demgemäß ist, wenn eine Kompen sation über einen weiten Bereich von Temperaturen benötigt wird, die Temperaturkompensationsschaltung nachteilig kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter druckfühler zu entwickeln, der so ausgelegt ist, daß die Tempe raturkompensation der Empfindlichkeit mit einem hohen Genauig keitsgrad über einen weiten Bereich von Temperaturen mit Hilfe einer Temperaturkompensationsschaltung erreicht werden kann, die einen Thermistor verwendet und einen verhältnismäßig ein fachen Aufbau hat.

Hierzu sieht die vorliegende Erfindung einen Halbleiter druckfühler vor, bei dem die Oberflächenverunreinigungskonzen tration des Dehnungsmessers auf 2,3 × 10¹⁸ bis 2,5 × 10¹⁸ Atome/ cm³ festgesetzt ist und die Temperaturabhängigkeit des Dehnungs messers innerhalb des Niedrigtemperaturbereichs mit Hilfe eines Thermistors kompensiert wird.

Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe ge löst wird, ist daher ein Halbleiterdruckfühler mit einem ela stischen Siliziumeinkristallsubstrat, dessen Oberflächenspan nung sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck ändert, einem Dehnungsmesser, der aus einer an der Oberfläche des Substrats gebildeten P-Diffusionsschicht besteht, einer den Dehnungsmesser enthaltenden Brückenschaltung, einer Kon stantstromschaltung zum Zuführen eines Antriebsstroms zur Brüc kenschaltung und einer Verstärkerschaltung zum Verstärken des Brückenausgangs von den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung zur Bildung eines Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß er die Brückenschaltung bildende Dehnungsmesser, die je weils durch diffundierte Widerstandsschichten mit einer Ober flächenverunreinigungskonzentration gebildet sind, die im Be reich von 2,3 × 10¹⁸ bis 2,5 × 10¹⁸ Atomen/cm³ eingestellt ist, und einen in der Konstantstromschaltung eingefügten Thermistor aufweist, der eine Temperatur-Widerstands-Eigenschaft hat, die im wesentlichen gleich dem Temperaturänderungskoeffizient der diffundierten Widerstandsschichten ist, welche Eigenschaf ten so eingestellt sind, daß sie einander aufheben und damit eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit bewirkt wird.

Auf diese Weise ist eine Hochgenauigkeits-Temperaturkompen sation über einen weiten Temperaturbereich von -40°C bis 120°C möglich.

Vorteilhaft ist die B-Konstante des Thermistors so ge wählt, daß sie in den Bereich von 1400 K bis 2400 K fällt.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung veran schaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema zur Veranschaulichung eines Ausfüh rungsbeispiels des Halbleiterdruckfühlers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivdarstellung eines Siliziumsubstrats, auf dem die in Fig. 1 gezeigte Brückenschaltung ausgebildet ist;

Fig. 3 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Oberflächenverunreinigungskonzentration und dem Empfindlichkeitstemperaturkoeffizient der auf dem Siliziumsubstrat gebildeten diffundierten Widerstände, wobei der Empfindlichkeitstemperaturkoeffizient erhalten wird, indem man den Empfindlichkeitskoeffizient zwischen -40°C und 120°C in den Empfindlichkeitskoeffizient je 100°C umwandelt;

Fig. 4 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Empfindlichkeitsände rungskoeffizient von mit einer vorbestimmten Verunreinigungs konzentration gebildeten diffundierten Widerständen, die in Kombination eine druckempfindliche Brücke des Halbleiterdruck fühlers gemäß der Erfindung darstellen,

Fig. 5 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Empfindlichkeitsände rungskoeffizient von diffundierten Widerständen, die mit einer Verunreinigungskonzentration gebildet sind, die von dem der im Fall der Fig. 4 diffundierten Widerstände verschieden ist;

Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Temperatur- Widerstands-Eigenschaft des Thermistors, der die in Fig. 1 ge zeigte Konstantstromschaltung darstellt;

Fig. 7 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Temperaturänderungs koeffizient der Empfindlichkeit zur Erläuterung der Kompensa tion für den Ausgang des Halbleiterdruckfühlers gemäß der Er findung; und

Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Empfindlich keitsänderungskoeffizienten des Brückenausgangs im Fall, wo die B-Konstante des Thermistors variabel geändert wird.

Gemäß Fig. 1 bilden vier Halbleiterdehnungsmesser 1 (RG 1 bis RG 4), die auf einem elastischen Substrat gebildet sind, das aus einem N-Siliziumeinkristall besteht, in Kombination eine Wheatstone-Brücke 2. Eine Konstantstromschaltung 5 ist mit Anschlüssen C und F der Brückenschaltung 2 zum Zuführen eines konstanten Stroms zur Brücke 2 verbunden.

Die Konstantstromschaltung 5 hat einen Rechenverstärker 6, der an seinem Ausgangsanschluß mit dem Anschluß F der Brücken schaltung 2 verbunden ist. Der Anschluß C der Brückenschaltung 2 ist mit der Erde (GND) über einen festen Widerstand RI 2 ver bunden und auch mit dem negativen (-) Eingangsanschluß des Rechenverstärkers 6 verbunden. Mit einer Konstantspannungs quelle E _R sind eine Empfindlichkeitstemperaturkompensations schaltung 4 und ein fester Widerstand RI 1 in Reihe verbunden, und der Knotenpunkt B dazwischen ist mit dem positiven (+) Eingangsanschluß des Rechenverstärkers 6 verbunden. Die Empfind lichtkeitstemperaturkompensationsschaltung 4 besteht aus einem Thermistor 3, einem dazu parallel geschalteten festen Wider stand RS 1, einem in Reihe zum Widerstand RS 1 geschalteten fe sten Widerstand RS 2 und einem zu den Widerständen RS 1, RS 2 pa rallel geschalteten festen Widerstand RS 3. Der Knotenpunkt A ist mit der Stromquelle E _R verbunden.

Die Anschlüsse D und E der Brücke 2 sind mit den posi tiven (+) und den negativen (-) Eingangsanschlüssen eines zweiten Rechenverstärkers 8 über feste Widerstände R 2 bzw. R 1 verbunden. Der positive (+) Eingangsanschluß des Rechenverstär kers 8 ist mit dem Erdanschluß GND über einen festen Widerstand R 4 verbunden. Der Ausgangsanschluß (E ₀) des Rechenverstärkers 8 ist mit dem negativen (-) Eingangsanschluß des Rechenverstärkers 8 über einen Rückkopplungswiderstand R 3 verbunden, wodurch ein Differenzialverstärker 7 gebildet wird.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Siliziumsubstrats 20, auf dem die vorerwähnte Brückenschaltung 2 gebildet ist. P-diffun dierte Widerstände 1 (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4) sind auf einem Membranteil 21 des Siliziumsubstrats 20, wie oben beschrieben, gebildet, und erfindungsgemäß werden diese P-diffundierten Widerstände durch diffundierte Widerstände gebildet, die eine Oberflächenverunreinigungskonzentration im Bereich von 2,3 × 10¹⁸ bis 2,5 × 10¹⁸ Atomen/cm³ haben. Eine Ausnehmung 22 ist im Boden des Siliziumsubstrats 20 gebildet, so daß beispiels weise ein Vakuum in einem Motor in die Ausnehmung 22 eingeführt wird, um die Höhe des Drucks zu erfassen.

Wie allgemein bekannt ist, ändert sich, wenn ein Wider stand auf einem N-Siliziumsubstrat durch Erzeugen einer diffun dierten P-Verunreinigungsschicht darin gebildet wird, der Temperaturänderungskoeffizient der Empfindlichkeit entsprechend der Oberflächenverunreinigungskonzentration. Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Brückenausgangseigenschaft und der Oberflächenverunreinigungskonzentration im Fall, wo die Brücke unter Verwendung solcher diffundierter P-Verunreinigungswider stände gebildet ist. Wie sich klar aus der Eigenschaftskurve in Fig. 3 ergibt, ist, wenn die Oberflächenverunreinigungs konzentration in der Nähe von 2,0 × 10¹⁸ Atomen/cm³ und in der Nähe von 2 × 10²⁰ Atomen/cm³ ist, der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit der Brücke im wesentlichen Null (0). So versteht man, daß es vorzuziehen ist, diffundierte Widerstände mit einer Verunreinigungskonzentration wie der oben erwähnten zu verwenden.

Erfindungsgemäß wird dagegen die Brückenschaltung aus verunreinigungsdiffundierten Widerständen mit einer Verunreini gungskonzentration gebildet, die besonders vorgeschrieben ist und im Bereich von 2,3 × 10¹⁸ bis 2,5 × 10¹⁸ Atomen/cm³ liegt. Dies ist der Fall, da, wie in Fig. 4 gezeigt ist, der Empfind lichkeitsänderungskoeffizient des Ausgangs der Brücke, die unter Verwendung diffundierter Widerstände mit der oben erwähn ten Verunreinigungskonzentration gebildet ist, positive Eigen schaften im Niedrigtemperaturbereich (-40°C bis 20°C) im Ar beitstemperaturbereich der Druckfühler hat, und im Hochtempera turbereich (20°C bis 120°C) hat der Änderungskoeffizient der Ausgangsempfindlichkeit einen konstanten Verlauf, d. h. der Änderungskoeffizient ist innerhalb von 2% und im wesentlichen 0%. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Brücke mit dem vorstehend beschriebenen Temperaturänderungskoeffizient verwen det, und die positiven Eigenschaften im Niedrigtemperaturbe reich werden mit Hilfe des (später im einzelnen beschriebenen) Thermistors 3 kompensiert, wodurch ein Halbleiterdruckfühler mit einem Empfindlichkeitsänderungskoeffizient von im wesent lichen 0% über den Temperaturbereich von -40°C bis 120°C erhal ten wird. Weiter ist es durch Einstellen der Verunreinigungs konzentration auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert, wie er oben beschrieben wurde, möglich, die Arbeitszeit zu verkürzen, die zum Implantieren von Ionen in die Halbleiterdehnungsmesser 1 erforderlich ist, und daher ist der Halbleiterdruckfühler gemäß der Erfindung wirtschaftlich und unter Herstellungsgesichts punkten vorteilhaft.

Wenn die Verunreinigungskonzentration den oben erwähnten Konzentrationsbereich unterschreitet und beispielsweise auf 2 × 10¹⁸ Atome/cm³ festgesetzt wird, hat der Empfindlichkeits änderungskoeffizient eine positive Eigenschaft sowohl im hohen als auch im niedrigen Temperaturbereich, wie in Fig. 5 gezeigt wird, und dies macht es schwierig, die Empfindlichkeitstempe raturkompensation des Brückenausgangs mittels eines Thermistors u. dgl. einfach zu erreichen.

Der Thermistor 3, der die Empfindlichkeitstemperaturkompen sationsschaltung darstellt, wird durch einen Thermistor gebil det, der eine B-Konstante im Bereich von 1400 bis 2400 K hat. Die Temperatur-Widerstands-Eigenschaft des Thermistors 3 ist in Fig. 6 gezeigt. Wie aus dieser Figur klar wird, ist die Eigen schaft des Thermistors 3 ähnlich der Empfindlichkeitsänderungs koeffizienteigenschaft der in Fig. 4 gezeigten diffundierten Widerstandsbrückenschaltung. Insbesondere hat der Thermistor 3 einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizient und zeigt einen im wesentlichen konstanten Widerstandswert im Hochtempe raturbereich.

Das Folgende ist eine ins einzelne gehende Beschreibung des Betriebs des Halbleiterdruckfühlers mit der vorstehend be schriebenen Anordnung.

Unter Hinweis auf Fig. 1 liefert die Konstantstromschaltung 5 einen Strom zum Antrieb der Brückenschaltung 2 durch den Aus gangsanschluß des Rechenverstärkers 6, und dieser Antriebs strom wird durch die Spannung am Knotenpunkt B bestimmt, die ihrerseits durch das Widerstandsverhältnis zwischen der Empfind lichkeitstemperaturkompensationsschaltung 4 und dem festen Widerstand RI 1 bestimmt wird. Andererseits fließt der durch die Brückenschaltung 2 fließende Strom durch den festen Widerstand RI 2 unter Hervorrufung eines Spannungsabfalls, und diese er niedrigte Spannung wird dem negativen (-) Eingangsanschluß des Rechenverstärkers 6 zugeführt, wodurch ein konstanter An triebsstrom erhalten wird. Im Niedrigtemperaturbereich wird der Spannungsabfall in der Empfindlichkeitstemperaturkompensa tionsschaltung 4 durch den Betrieb des Thermistors 3 gestei gert, so daß der der Brückenschaltung 2 zugeführte Strom ver ringert wird.

Der Betrieb des Halbleiterdruckfühlers gemäß der Erfin dung wird weiter im einzelnen anhand der Fig. 7 beschrieben. Der Antriebsstrom, der der Brückenschaltung 2 von der Kon stantstromschaltung 5 zugeführt wird, zeigt einen negativen Änderungskoeffizienten im Niedrigtemperaturbereich, wie durch die Kurve A in dieser Figur gezeigt ist. Andererseits zeigen die diffundierten Widerstände, die in Kombination die Brücken schaltung 2 bilden, einen positiven Empfindlichkeitsänderungs koeffizienten im Niedrigtemperaturbereich, wie schon beschrie ben wurde, und der Brückenausgang ändert sich daher, wie durch die Kurve B gezeigt ist. Diese Ausgangscharakteristiken A und B heben sich gegenseitig auf, so daß eine Ausgangseigenschaft erhalten wird, deren Änderungskoeffizient über einen weiten Temperaturbereich von -40°C bis 120°C im wesentlichen Null ist, wie durch die Kurve C in dieser Figur gezeigt ist. Es ist zu bemerken, daß die Kurve B in dieser Figur die Ausgangseigen schaft zeigt, die gemessen wurde, wenn der Antriebsstrom auf 1 mA eingestellt wurde.

Fig. 8 zeigt die Empfindlichkeitsänderungs-Koeffizient eigenschaft des Brückenausgangs in dem Fall, wo die B-Konstante des Thermistors 3 in der Konstantstromschaltung 5 variabel ge ändert wurde. Wie aus der Figur ersichtlich, kann, wenn die B-Konstante des Thermistors 3 im Bereich von 1400 K bis 2400 K ist, der Empfindlichkeitsänderungskoeffizient des Brückenaus gangs innerhalb ± 0,3% über den Temperaturbereich von -40°C bis 120°C unterdrückt werden.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar wird, ist es gemäß der Erfindung möglich, einen Halbleiterdruckfühler mit einer ausgezeichneten Ausgangscharakteristik herzustellen, die eine Niedrighaltung des Empfindlichkeitstemperaturkoeffizienten innerhalb ± 0,3% über einen weiten Temperaturbereich von -40°C bis 120°C ermöglicht.

Claims

1. Halbleiterdruckfühler mit
einem elastischen Siliziumeinkristallsubstrat (20), dessen Oberflächenspannung sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck ändert,
einem Dehnungsmesser (1), der aus einer an der Oberfläche des Substrats (20) gebildeten P-Diffusionsschicht besteht,
einer den Dehnungsmesser (1) enthaltenden Brückenschaltung (2),
einer Konstantstromschaltung (5) zum Zuführen eines An triebsstromes zur Brückenschaltung (2) und
einer Verstärkerschaltung (7) zum Verstärken des Brücken ausgangs von den Ausgangsanschlüssen (D und E) der Brücken schaltung (2) zur Bildung eines Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß der die Brückenschaltung (2) bildende Dehnungsmesser (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4), die jeweils durch diffundierte Widerstandsschichten mit einer Oberflächenverunreinigungs konzentration gebildet sind, die im Bereich von 2,3 × 10¹⁸ bis 2,5 × 10¹⁸ Atomen/cm³ eingestellt ist, und
einen in der Konstantstromschaltung (5) eingefügten Ther mistor (3) aufweist, der eine Temperatur-Widerstands- Eigenschaft hat, die im wesentlichen gleich dem Temperatur änderungskoeffizient der diffundierten Widerstandsschichten (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4) ist, welche Eigenschaften so ein gestellt sind, daß sie einander aufheben und damit eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit bewirkt wird.

2. Halbleiterdruckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die B-Konstante des Thermistors (3) so gewählt ist, daß sie in den Bereich von 1400 K bis 2400 K fällt.