Beschreibung der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen einer
Brückenschaltung eines Halbleiterdrucksensors beim
Waferherstellungsprozeß und insbesondere ein Verfahren zum
Einstellen einer Brückenschaltung eines
Halbleiterdrucksensors, der typisch für einen
Halbleiterdrucksensor ist, welcher an der Spitze eines
Katheter für medizinische Zwecke angebaut ist.
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Wenn auf ein Halbleiterkristall aus Silizium oder ähnlichem
einer mechanischen Belastung ausgesetzt wird, ändert sich
wegen des piezoelektrischen Widerstandseffekts sein
Widerstand merklich, und die Wahrnehmung dieser Tatsache hat
zur der Entwicklung eines Halbleiterdrucksensors geführt.
Der Herstellungsprozeß eines solchen Halbleiterdrucksensors
umfaßt die Bildung eines Dehnungsmesserwiderstandes durch
Diffusion von Störstellenionen auf der Oberflächenschicht
eines Siliziumeinkristalls, das Zusammensetzen von vier
Dehnungsmesserwiderständen zu einer Wheatstone-Brücke, das
Bilden eines Ausnehmung in der hinteren Oberfläche des
Siliziumeinkristalls durch Ätzen, und das Anordnen von
Elektroden an geeigneten Plätzen auf dessen Oberfläche,
wobei der dünne Abschnitt als eine Membran dient. Wenn Druck
an den Halbleiterdrucksensor angelegt wird, wird die Membran
deformiert und der Widerstandswert des
Dehnungsmesserwiderstandes ändert sich wegen des
piezoelektrischen Widerstandseffekts in großem Ausmaß, so
daß ein Brückenausgangssignal proportional zum Druck
erhalten werden kann. Ein solcher Halbleiterdrucksensor ist
bekannt, zum Beispiel aus dem Stand der Technik gemäß der
US-A-3 697 918.
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Der vorangehend genannte Halbleiterdrucksensor ist bezüglich
seiner Abmessungen extrem klein, und insbesondere bei
medizinischer Anwendung eines Halbleiterdrucksensors wird
eine Vielzahl von Halbleiterdrucksensoren an der Spitze
eines Katheters angebaut und in einen Körper eingeführt.
Entsprechend sollte sogar in einem Halbleiterdrucksensor,
welcher periphere Schaltungen, wie zum Beispiel eine
Temperaturkompensationsschaltung, eine
Druckempfindlichkeitskompensationsschaltung und ähnliches,
enthält, eine Seite eines Chips etwa 1 mm oder weniger lang
sein.
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Veränderungen des Widerstandswertes von jedem der
Dehnungsmesserwiderstände und der eindiffundierten
Widerstände bei ihrer Herstellung und die Gleichmäßigkeit
der Dicke der durch den Ätzprozeß erzeugten Membran führen
zu Veränderungen in den Kennwerten des
Halbleiterdrucksensors.
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Der Halbleiterdrucksensor weist jedoch extrem kleine
Abmessungen auf, und es ist sehr schwierig, die elektrischen
Kennwerte, während gerade Druck angelegt ist, zu messen und
die Widerstandsbalance der Brückenschaltung einzustellen.
Tatsächlich wird die Messung solcher elektrischer Kennwerte,
während Druck angelegt ist, unterlassen, wobei die
elektrischen Kennwerte der Brückenschaltung nur gemessen
werden, um eine vorbestimmte Toleranz überschreitende
Ausschußexemplare herauszufinden und auszusondern.
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Entsprechend ist die Fertigungsausbeute der
Halbleiterdrucksensoren gering, und zusätzlich zu diesem
Problem hat sich die Messung elektrischer Kennwerte als
unzuverlässig gezeigt, weil das Ausmaß der Deformation der
Membran, welche sich aufgrund des daran tatsächlich
angelegten Drucks ergibt, nicht gemessen wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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In Anbetracht der zuvor genannten Probleme besteht die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 darin,
ein Verfahren zum Einstellen einer Brückenschaltung eines
Halbleiterdrucksensors zu schaffen, um die Ausbeute durch
Einstellen der Ausgangsbalance der Brückenschaltung
basierend auf dem Ausgangssignal des Halbleiterdrucksensors
in einem Zustand, der demjenigen sehr nahe kommt, in welchem
der Halbleiterdrucksensor tatsächlich in Gebrauch ist, zu
verbessern.
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Um diese Aufgabe zu erfüllen, umfaßt das Verfahren zum
Einstellen der Brückenschaltung eines Halbleiterdrucksensors
mit einer Vielzahl von diffundierten Widerständen zum
Verbinden von die Brückenschaltung bildenden
Dehnungsmesserwiderständen die Verfahrensschritte: Vorsehen
einer Vielzahl von Leitern, welche mit wenigstens einem aus
der Vielzahl von diffundierten Widerständen in vorbestimmten
Abständen während des Verdrahtungsprozesses verbunden
werden, wobei die Vielzahl von Leitern als eine Einrichtung
zum Einstellen des Widerstandswertes von dem wengistens
einen aus der Vielzahl von diffundierten Widerständen dient;
Anlegen eines Vakuumsogs an die hintere Oberfläche des
Diaphragmas des Halbleiterdrucksensor bei dem Testvorgang,
um einen Zustand zu erzeugen, in welchem Druck virtuell an
das Diaphragma an seiner anderen Oberfläche angelegt wird,
Messen der Druckempfindlichkeit des Halbleiterdrucksensors
auf der Oberflächenseite des Diaphragmas durch Verwendung
der Brückenschaltung; und Einstellen des Widerstandwertes
des wenigstens einen Widerstands aus der Vielzahl von
diffundierten Widerständen gestützt auf die so gemessene
Druckempfindlichkeit, um die Balance der Brückenschaltung
einzustellen.
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Andererseits können während des Verdrahtungsprozesses an den
Enden der jeweiligen Leiter Anschlußflächen installiert
werden, und eine der Anschlußflächen kann ausgewählt und
basierend auf der Druckempfindlichkeit des
Halbleiterdrucksensors kontaktiert werden, um die
Ausgangsbalance der Brückenschaltung einzustellen.
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Bei dem Einstellungsverfahren der Brückenschaltung eines
Halbleiterdrucksensors wird das Diaphragma bzw. die Membran
an ihrer hinteren Oberflächenseite einem Vakuumsog
ausgesetzt, um die Membran während des Testvorgangs einem
negativen Druck zu unterwerfen, und der Widerstandswert des
Dehnungsmesserwiderstandes, welcher einen grundlegenden Teil
der auf der Membran gebildeten Brückenschaltung bildet, wird
veranlaßt, sich durch die Deformation der Membran und
entsprechend dem piezoelektrischen Widerstandseffekt zu
verändern. Die Veränderungen des Ausgangssignals der
Brückenschaltung können gemessen werden, indem von den auf
der Oberfläche des Halbleiterdrucksensors gebildeten
Elektroden Gebrauch gemacht wird.
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Der Widerstandswert kann stufenweise durch Vorsehen der
Vielzahl von mit dem diffundierten Widerstand verbundenen
Leitern in den vorbestimmten Abständen eingestellt werden,
und der diffundierte Widerstand wird durch selektives
Schneiden der Leiter oder durch Kontaktieren einer
Anschlußfläche verzweigt, wodurch der Widerstandswert
einfach eingestellt werden kann.
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Entsprechend ist es, bevor der Wafer in Chips zerschnitten
wird, möglich, die Brückenschaltung des
Halbleiterdrucksensors einfach durch Einstellen der
Widerstandsbalance der Brückenschaltung, während Druck daran
angelegt ist, einzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig.1 ist eine schematische Draufsicht, welche ein
Verfahren der Einstellung einer Brückenschaltung
eines Halbleiterdrucksensors entsprechend einem
ersten Ausführungsbeispiel für die vorliegende
Erfindung zeigt.
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Fig.2 ist eine Querschnittsansicht des
Halbleiterdrucksensors von Fig. 1.
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Fig.3 ist eine schematische Schnittansicht, welche ein
Ausführungsbeispiel für die Messung der
Druckempfindlichkeit des Halbleiterdrucksensors
zeigt.
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Fig.4 ist ein Diagramm, welches einen Zustand zeigt, in
welchem Druck an den Halbleiterdrucksensor angelegt
ist.
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Fig.5 ist ein elektrisches Schaltbild, das eine
elektrische Anordnung des Halbleiterdrucksensors von
Fig. 1 zeigt.
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Fig.6 ist eine schematische Draufsicht, welche ein
Verfahren zum Einstellen einer Brückenschaltung
eines Halbleiterdrucksensors entsprechend einem
zweiten Ausführungsbeispiel für die vorliegende
Erfindung zeigt.
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Fig.7 ist eine Querschnittsansicht des
Halbleiterdrucksensors gemäß Fig. 6.
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Fig.8 ist ein elektrisches Schaltbild, welches eine
elektrische Anordnung des Halbleiterdrucksensors von
Fig. 6 zeigt.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden nun
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail
beschrieben.
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Fig. 1 ist eine schematische Draufsicht, welche ein
Verfahren zum Einstellen einer Brückenschaltung eines
Halbleiterdrucksensors entsprechend einem ersten
Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht des
Halbleiterdrucksensors. In den Fig. 1 und 2 ist ein extrem
kleiner Halbleiterdrucksensor 1 mit einer Dicke vom etwa 400
µm dargestellt und Dehnungsmesserwiderstände vom p-Typ 3a,
3b, 3c, 3d von einigen kX sind auf der Oberfläche eines
Substrats 2 gebildet, welches aus einem Siliziumeinkristall
vom n-Typ besteht. Vier der Dehnungsmesserwiderstände 4
verwendet werden, welche um die Oberfläche des Substrats 2
herum ausgedehnt sind, und Al-Anschlußflächen 5a, 5b, 5c,
5d, 5e sind auf den so verlängerten bzw. ausgedehnten
diffundierten Widerständen gebildet. Darüber hinaus ist eine
Ausnehmung 6 in der hinteren Oberfläche des
Siliziumeinkristalls 2 gebildet, wobei ein dünner Abschnitt
(mit einer Dicke von weniger als 30 µm) als ein Diaphragma
bzw. als eine Membran 7 verwendet wird.
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Zusätzlich zu der Konstruktion des vorangehend beschriebenen
bekannten Halbleiterdrucksensors 1 ist eine
Al-Anschlußfläche 8 installiert, und Leitungen 9 eines
elektrischen Leiters (zum Beispiel Aluminium, Gold, Silber,
Kupfer usw.) sind vorgesehen, um an den diffundierten
Widerstand 4, welcher zwischen die Al-Anschlußfläche 5e und
den Dehnungsmesserwiderstand 3d geschaltet ist, in
vorbestimmten Intervallen angeschlossen zu werden. Die Enden
sämtlicher Leitungen 9 sind mit der Al-Anschlußfläche 8
verbunden.
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Die Al-Anschlußflächen 8 und 5e und ferner die
Al-Anschlußflächen 5e und 5a sind miteinander verbunden.
Eine Spannung wird über der Al-Anschlußfläche 8 (5e) und der
Al-Anschlußfläche 5c angelegt, um einen Ausgangswert
zwischen den Al-Anschlußflächen 5b und 5d zu erhalten. D.h.,
es ist eine Brückenschaltung gebildet (siehe Fig. 5). In der
Fig. 5 repräsentieren r&sub1; r&sub8; die Widerstandswerte der
diffundierten Widerstände 4. Die Einstellung der
Ausgangsbalance der Brückenschaltung wird durch selektives
Ausschneiden der Leitungen 9 durch einen Laserstrahl und
Einstellen des Widerstandswertes (r&sub8;) zwischen der
Al-Anschlußfläche 5e und dem Widerstand 3d durchgeführt.
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Die Intervalle, in welchen die Leitungen 9 an den
diffundierten Widerstand 4 angeschlossen sind, werden
entsprechend der Widerstandscharakteristik (X - m) des
Widerstandes festgelegt, und es werden, vorausgesetzt die
Widerstandscharakeristik ist linear, gleiche Intervallängen
bevorzugt.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehenden
Ausführungsbeispiele beschränkt. Die
Aluminiumanschlußflächen 5a und 5e werden zum Beispiel
miteinander verbunden und eine Spannung ist über der
Al-Anschlußfläche 8 und der Al-Anschlußfläche 5d vorgesehen,
wobei der Widerstandswert von nicht nur dem diffundierten
Widerstand 4 zwischen der Al-Anschlußfläche 5e und dem
Dehnungsmesserwiderstand 3d, sondern auch andere
diffundierte Widerstände einstellbar vorgesehen werden
können, vorausgesetzt, die Kombination und Anordnung von
Teilen wird modifiziert, ohne von dem Schutzumfang der
Erfindung entsprechend den Schutzansprüchen abzuweichen.
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Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht, welche ein
Verfahren zur Einstellung einer Brückenschaltung eines
Halbleiterdrucksensors entsprechend einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschreibt.
Dieses Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit
demjenigen von Fig. 1 überein, ausgenommen daß
Al-Anschlußflächen 8' mit den jeweiligen Leitungen 9
verbunden sind.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die
Aluminiumanschlußflächen 5a und 5e miteinander verbunden,
und eine Spannung ist über den Anschlußflächen 5a, 5e und
der Anschlußfläche 8' angelegt, wobei ein Ausgangssignal
zwischen den Anschlußflächen 5b und 5d abgenommen wird.
D.h., es ist so eine Brückenschaltung gebildet, und
irgendeine der Anschlußflächen 8' wird geeignet ausgewählt
und zum Zwecke der Einstellung des Widerstandswertes r&sub4; (r&sub5;)
des diffundierten Widerstandes 4, der zwischen den
Dehnungsmesserwiderständen 3c und 3b als Verdrahtung (siehe
Fig. 8) gebildet ist, angeschlossen. In Fig. 8
repräsentieren r&sub1; r&sub8; die Widerstandswerte der
diffundierten Widerstände 4.
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Eine Widerstandseinstellschaltung 110 kann in diesem
Ausführungsbeispiel nicht nur zwischen den
Dehnungsmesserwiderständen 3b und 3c, sondern auch zwischen
anderen Dehnungsmesserwiderständen angeordnet werden, um die
Einstellung des diffundierten Widerstandes 4 zu bewirken.
Darüber hinaus können die Intervalle, in welchen die
Leitungen 9 an den diffundierten Widerstand 4 angeschlossen
werden, entsprechend der Widerstandscharakteristik (X - m)
des Widerstandes festgelegt werden, und es wird,
vorausgesetzt, die Widerstandscharakteristik ist liniar,
eine konstante Intervallänge bevorzugt.
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Fig. 3 ist eine schematische Seitenansicht, welche ein
Beispiel für die Messung der Druckempfindlichkeit des
Halbleiterdrucksensors zeigt, wobei ein Wafertisch 10 ein
Vakuumundichtigkeiten verhinderndes Dichtungsmaterial 12 aus
welchem synthetischen Harz (zum Beispiel Styren, Butadien
oder Silikongummi) mit einer Dicke in der Größenordnung von
10 µm aufweist, welches auf einem Plattenmaterial 11 aus
rostfreiem Stahl oder synthetischem Harz gebildet ist.
Ferner ist wenigstens ein Durchgangsloch 13 an einer
geeigneten Stelle des Wafertischs 10 gebohrt, um einen
Vakuumsog an eine Ausnehmung 6 des Halbleiterdrucksensors 1
anzulegen. Die Ausnehmung 6 des Halbleiterdrucksensors 1 ist
oberhalb des Durchgangslochs 13 angeordnet. In dem ersten in
der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die
Meßsonden 14 benutzt, um über den Al-Anschlußflächen 5a, 5e
und der Al-Anschlußfläche 5c (zwischen den
Einganganschlüssen der Brücke) und über den
Al-Anschlußflächen 5b und 5d (zwischen ihren
Ausgangsanschlüssen), die auf der Oberfläche des
Halbleiterdrucksensors 1 vorgesehen sind, in Abgriffkontakt
zu kommen. In dem zweiten in der Fig. 6 gezeigten
Ausführungsbeispiel werden die Sonden 14 dazu benutzt, mit
den Al-Anschlußflächen 5a, 5e und der Al-Anschlußfläche 8'
(zwischen den Eingangsanschlüssen der Brücke), und über den
Eingangsanschlußflächen 5b und 5d (zwischen ihren
Ausgangsanschlußflächen) in Abgriffkontakt zu kommen.
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Um die Ausnehmung 6 des Halbleiterdrucksensors über dem
Durchgangsloch 13 des Wafertisches 10 zu lokalisieren,
sollte der Wafer bewegt werden, während der Wafertisch 10
und die Meßsonden 14 stillgesetzt sind, oder der Wafertisch
10 und die Meßsonden 14 sollten verschoben werden, während
der Wafer 15 feststehend ist.
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Wie voranstehend dargelegt wurde, ist der Wafer 15 auf dem
Wafertisch 10 angebracht und wird einem Vakuumsog
unterworfen, wobei das Durchgangsloch 13 verwendet wird und
das Dichtungsmaterial auf dem Wafertisch Vakuumundichtheiten
durch die Verbindung zwischen dem Siliziumkristall 2 und dem
Wafertisch 10 hindurch verhindert. Darüber hinaus wird der
negative Druck, der einem an der Oberfläche des
Halbleiterdrucksensors 1 angelegten Druck entspricht, an der
Ausnehmung 6 erzeugt, und die Membran 7 wird deformiert wie
in dem Fall, in welchem der Druck auf seine Oberfläche
einwirkt.
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Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, welche die so
deformierte Membran zeigt. Die durch Diffusion in der Mitte
der Membran 7 gebildeten Dehnungsmesserwiderstände 3a und 3c
von den die in den Fig. 5 oder 8 gezeigten Brücken bildenden
vier Dehnungsmesserwiderständen 3a, 3b, 3c und 3d werden
zusammengepreßt, während die Dehnungsmesserwiderstände 3b
und 3d, die am Rand der Membran 7 diffundiert sind,
ausgedehnt werden, wenn die Membran 7 deformiert wird.
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Was die Dehnungsmesserwiderstände betrifft, so wird von
solchen Gebrauch gemacht, deren Widerstandswert proportional
mit der Belastung ansteigt. Beträgt der Widerstandswert der
Dehnungsmesserwiderstände 3a, 3b, 3c und 3d jeweils R1, R2,
R3 bzw. R4, so steigen R2 und R4 an, während R1 und R3 sich
verringern, wenn sich die Membran 7 deformiert. Mit anderen
Worten, das Potential V1 über den Anschlüssen des
Widerstandes 3d steigt an, während das Potential V&sub2; über
Anschlüssen des Widerstandes 3c abfällt.
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Entsprechend erhöht sich das Brückenausgangssignal, d.h. V&sub1;
- V&sub2; proportional zu der Deformation der Membran 7.
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Die Druckempfindlichkeit des Halbleiterdrucksensors 1 kann,
bevor der Wafer 15 in einzelne Chips zerteilt wird, gemessen
werden, indem das Brückenausgangssignal mit den Meßsonden 14
unter Verwendung der Al-Anschlußflächen des
Halbleiterdrucksensors 1 gemessen wird.
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Das Ausgangssignal des Halbleiterdrucksensors wird gemessen,
während der Druck daran anliegt. Bei einem
Halbleiterdrucksensor, dessen Meßwert einen geringfügigen
Fehler zeigt, werden die an den diffundierten Widerstand 4
angeschlossenen Leitungen geeignet durch einen Laserstrahl
ausgeschnitten (erstes Ausführungsbeispiel), oder es wird
andererseits eine der Anschlußflächen 8', die an
entsprechenden mit dem diffundierten Widerstand 4 in den
vorbestimmten Intervallen verbundenen Leitungen 9 vorgesehen
sind, ausgewählt (zweites Ausführungsbeispiel), wodurch der
Widerstandswert des diffundierten Widerstands einfach
eingestellt werden kann. Daher kann die Ausgangsbalance der
Brückenschaltung des Halbleiterdrucksensors eingestellt
werden, bevor der Halbleiterdrucksensor in einzelne Chips
unterteilt wird.
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Kurz zusammengefaßt wird die elektrische Messung auf der
Seite der Oberfläche des Halbleiterdrucksensors 1
ausgeführt, und der Druck von seiner Rückseite aus angelegt,
wodurch die Druckempfindlichkeit des Halbleiterdrucksensors
1 während des Testvorgangs gemessen wird. Bei
Halbleiterdrucksensoren, die einen Meßfehler zeigen, kann
die Ausgangsbalance ihrer Brückenschaltung durch Einstellen
des Widerstandswertes des diffundierten Widerstandes 4
eingestellt werden.
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Wie oben dargelegt wurde, wird bei dem Verfahren zur
Einstellung der Brückenschaltung des Halbleiterdrucksensors
nach der vorliegenden Erfindung ein Zustand erzeugt, in
welchem Druck virtuell an die Membran an der Rückseite des
Halbleiterdrucksensors angelegt wird und in welchem das
elektrische Ausgangssignal in einem Zustand gemessen wird,
der ähnlich demjenigen beim tatsächlichen Gebrauch ist. Dann
werden die Leitungen, die an den diffundierten Widerstand in
vorbestimmten Intervallen angeschlossen sind, geeignet
ausgeschnitten, oder es wird andererseits eine der
Al-Anschlußflächen, die an den jeweiligen mit dem
diffundierten Widerstand in vorbestimmten Intervallen
verbundenen Leitungen vorgesehen sind, geeignet ausgewählt
und angeschlossen, so daß die Balanceeinstellung der
Brückenschaltung des Halbleiterdrucksensors durch Einstellen
des Widerstandswertes des diffundierten Widerstandes
ausgeführt werden kann.
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Entsprechend ist die Fertigungsausbeute des
Halbleiterdrucksensors verbessert.
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Obwohl in den vorangehend beschriebenen
AuSführungsbeispielen die in dem Wafer 15 vorgesehenen
Ausnehmungen 6 dem Vakuumsog nacheinander ausgesetzt werden,
kann an alle Ausnehmungen der Vakuumsog gleichzeitig
angelegt werden, indem ein poröses Teil, durch welches Gas
treten kann, zwischen dem Wafer 15 und dem mit dem
Durchgangsloch 13 versehenen Wafertisch 10, vorgesehen wird.
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Auch kann, obwohl in den oben gezeigten
Ausführungsbeispielen ein Widerstandswert eines einzigen
diffundierten Widerstandes eingestellt wird, jeder
Widerstandswert von jedem diffundierten Widerstand
eingestellt werden.