DE4231326A1

DE4231326A1 - Druckerfassungschip fuer einen halbleiterdruckdetektor

Info

Publication number: DE4231326A1
Application number: DE19924231326
Authority: DE
Inventors: Takanobu Takeuchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-09-19
Filing date: 1992-09-18
Publication date: 1993-04-01
Also published as: JPH0582805A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen in einem Halbleiterdruckdetektor verwendeten Druckerfassungschip, und bezieht sich insbesondere auf die Anordnung von Eichwider ständen eines derartigen Druckerfassungschip.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Druckerfassungschip in einem Halbleiterdruckdetektor. Fig. 3 stellt eine Draufsicht dar, und Fig. 4 stellt eine entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3 genommene Schnittansicht dar. Der aus einem Siliziumwafer bestehende Druckerfassungschip 1 ist auf einem (nicht näher dargestellten) Sitz befestigt, welcher üblicherweise aus Glas hergestellt ist. Ein Membranabschnitt 2 wird durch einen Druck P derart deformiert, daß er in seinem Mittenbe reich anschwillt bzw. ausgelenkt wird, wie es in Fig. 1 durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Zur Vereinfachung der weiteren Erläuterung wird der Chip bezüglich von X-, Y-, und Z-Achsen dargestellt. Somit erstreckt sich der Membranab schnitt 2 in einer XY-Ebene und empfängt eine Kraft in Rich tung der Z-Achse durch den Druck P.

Auf der Oberfläche des Membranabschnittes 2 sind vier Strei fen von Eichwiderständen 3, 4, 5 und 6 gebildet, welche pie zoelektrische Eigenschaften aufweisen. Des weiteren sind Ausgangsanschlüsse 7 und 8 in einer Ecke des Druckerfas sungschip 1 gebildet. Die Eichwiderstände 3 und 5 sind in den mittleren Abschnitten derjenigen beiden entgegengesetz ten Seiten des Membranabschnittes 2 gebildet, welche sich in der Richtung der X-Achse erstrecken. Die Widerstände 3 und 5 erstrecken sich entlang der X-Achse. Die Eichwiderstände 4 und 6 sind in den mittleren Abschnitten derjenigen beiden entgegengesetzten Seiten des Membranabschnittes 2 gebildet, welche sich in Richtung der Y-Achse erstrecken. Die Wider stände 4 und 6 erstrecken sich in Richtung der Y-Achse. Die Eichwiderstände 3 bis 6 sind elektrisch miteinander auf sol che Art und Weise verbunden, daß eine Brückenschaltung gemäß Fig. 5 gebildet wird. Die Ausgangsanschlüsse 7 und 8 sind mit dieser Brückenschaltung verbunden und bilden die Aus gangsanschlüsse dieser Schaltung.

Im folgenden wird die Betriebsweise dieses Druckerfas sungschip erläutert. Wenn die vorderen und rückseitigen Sei ten des Membranabschnittes 2 demselben Betrag eines Druckes ausgesetzt sind, erfährt der Membranabschnitt 2 keine Defor mationen. In diesem Fall empfangen die Eichwiderstände 3 bis 6 keine Kraft und weisen denselben Widerstandswert R auf. Somit befindet sich die Brückenschaltung in einem ausgegli chenen Zustand, und die zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 8 erzeugte Ausgangsspannung in V_o beträgt 0 V.

Falls der Membranabschnitt 2 einen Druck P aus dessen rück seitigen Seite empfängt, erfährt dieser eine Deformation auf derartige Weise, daß dessen Mittenbereich anschwillt bzw. ausgelenkt wird, wie es vorstehend dargestellt wurde, aufgrund des sich ergebenden Unterschiedes zwischen den Drücken an der vorderen und rückwärtigen Seite. Dadurch wird eine radiale Kontraktionskraft auf der Oberfläche des Mem branabschnittes 2 verursacht. Als Ergebnis hiervon wird eine Kontraktionsspannung gemäß den in Fig. 3 angedeuteten strichlierten Pfeile an jedem der Eichwiderstände 3 bis 6 auf der Oberfläche des Membranabschnittes 2 angelegt. Die an die Eichwiderstände 3 und 5 angelegten Kontraktionsspannun gen befinden sich in lateraler Richtung der Widerstände, während sich die an die Eichwiderstände 4 und 6 angelegten Kontraktionsspannungen in longitudinaler Richtung der Wider stände befinden. Als Ergebnis hiervon werden die Wider standswerte der Eichwiderstände 3 und 5 angehoben und werden jeweils R+RΔ, während die Widerstandswerte der Eichwi derstände 4 und 6 verringert werden und jeweils R-RΔ ergeben. Hierdurch wird ein Ungleichgewicht in der Brücken schaltung verursacht, mit dem Ergebnis, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 8 eine Ausgangsspannung erzeugt wird.

Bei diesem vorstehend beschriebenen Druckerfassungschip in einem Halbleiterdruckdetektor bewirkt eine externe Spannung oder dergleichen eine an den Membranabschnitt 2 anzulegende Spannung. Falls beispielsweise um den Eichwiderstand 3 herum eine Spannung erzeugt wird, wird der Widerstandswert des Eichwiderstandes 3 verändert, aber es wird keine Spannung an die anderen Eichwiderstände 4, 5 und 6 angelegt, so daß bei diesen Widerständen keine Veränderung in den Widerstandswer ten stattfindet. Somit bewirkt die Anordnung der Eichwider stände bei den vier unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche des Membranabschnittes 2 gemäß diesem vorstehend beschriebenen Chip jeweilige Spannungskräfte in den Eichwi derständen, die unterschiedlich zueinander sind, wodurch die Eigenschaften des Druckerfassungschip verschlechtert sind.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Beseitigung dieses Nach teils zur Verfügung gestellt. Es ist daher Aufgabe der Er findung, einen Druckerfassungschip für einen Halbleiter druckdetektor zur Verfügung zu stellen, bei dem Variationen in den Spannungen unter den Eichwiderständen lediglich bis zu einem geringen Grad auftreten, und zwar auch dann, wenn eine Spannung aufgrund einer externen Spannung an den Mem branabschnitt angelegt ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Druckerfassungschip für einen Halblei terdruckdetektors weist auf: einen Siliziumwafer mit einer (100)-Kristallebene; einen auf dem Siliziumwafer gebildeten und durch den zu erfassenden Druck deformierbaren Membranab schnitt; und eine Gruppe von Eichwiderständen aufweisend vier Streifen von Eichwiderständen mit einer piezoelektri schen Eigenschaft, wobei die Eichwiderstände in enger Nach barschaft zueinander bei einer Position auf der Oberfläche des Membranabschnittes gebildet sind, wobei sich zwei der Eichwiderstände auf derartige Weise erstrecken, daß sie eine Kontraktionskraft in longitudinaler Richtung nach einer be liebigen Deformation des Membranabschnittes empfangen, und die anderen Eichwiderstände sich auf derartige Weise er strecken, daß sie eine Kontraktionskraft im wesentlichen senkrecht zur longitudinalen Richtung nach einer beliebigen Deformation des Membranabschnittes empfangen, und die vier Eichwiderstände elektrisch derart miteinander verbunden sind, daß sie eine Brückenschaltung bilden, bei der zwei be liebig benachbarte Eichwiderstände Kontraktionskräfte aus unterschiedlichen Richtungen empfangen.

Aufgrund der konzentrierten Anordnung der vier Eichwider stände bei einer Position in dem Membranabschnitt werden in dem Druckerfassungschip eines Halbleiterdruckdetektors gemäß der Erfindung lediglich geringe Variationen in den Spannun gen unter den Eichwiderständen bewirkt, falls eine Spannung an den Membranabschnitt angelegt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Druckerfassungschip eines Halbleiterdruckdetektors gemäß einem Ausführungsbei spiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine entlang der Linie II-II aus Fig. 1 genommene Schnittansicht;

Fig. 3 eine Draufsicht eines Druckerfassungschip eines Halbleiterdruckdetektors;

Fig. 4 eine entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3 genommene Schnittansicht; und

Fig. 5 ein Schaltungsdiagramm zur Erläuterung einer aus vier Eichwiderständen gebildeten Brückenschaltung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor entsprechend einem Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung. Fig. 1 stellt eine Drauf sicht dar, und Fig. 2 zeigt eine entlang der Linie II-II aus Fig. 1 genommene Schnittansicht. Ein Druckerfassungschip 10, der einen Siliziumwafer mit einer (100)-Kristallebene auf weist, unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Chip dadurch, daß die vier Streifen von Eichwiderständen 3 bis 6 aufweisend eine piezoelektrische Eigenschaft in enger Nachbarschaft zueinander in der Mitte der einen der Seiten des Membranabschnittes 2 derart angeordnet sind, daß sie ein Rechteck bilden (bei dem dargestellten Beispiel ein Qua drat). Die Eichwiderstände 3 und 5 sind derartig gebildet, daß sie sich in der Richtung der X-Achse erstrecken, während die Eichwiderstände 4 und 6 derart gebildet sind, daß sie sich in Richtung der Y-Achse erstrecken. Die Eichwiderstände 3 bis 6 sind elektrisch derart miteinander verbunden, daß sie eine Brückenschaltung bilden, wie es in Fig. 5 darge stellt ist. Die in einer Ecke des Druckerfassungschip 10 ge bildeten Ausgangsanschlüsse 7 und 8 sind mit dieser Brücken schaltung verbunden und stellen die Ausgangsanschlüsse die ser Schaltung dar.

Im folgenden wird die Betriebsweise dieses Druckerfas sungschip beschrieben. Wenn die vorderen Seiten des Mem branabschnittes 2 demselben Druck unterliegt wie die rück wärtige Seite, empfangen die Eichwiderstände 3 und 6 keine Spannung und weisen denselben Widerstandswert R auf. Dadurch befindet sich die Brückenschaltung in einem ausgeglichenen Zustand, und die zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 8 erzeugte Ausgangsspannung in V_o beträgt 0 V.

Falls der Membranabschnitt 2 einen Druck P aus dessen rück wärtiger Seite empfängt, unterliegt er einer Deformation derart, daß dessen mittlerer Bereich anschwillt bzw. ausge lenkt wird aufgrund des sich ergebenden Unterschiedes zwi schen den an die vordere und rückwärtige Seite angelegten Drücken. Hierdurch wird eine radiale Kontraktionskraft auf der Oberfläche des Membranabschnittes 2 verursacht. Als ein Ergebnis wird eine gemäß der gestrichelten Pfeile in Fig. 1 dargestellte Kontraktionsspannung an jeden der Eichwider stände 3 bis 6 auf der Oberfläche des Membranabschnittes 2 angelegt. Die an die Eichwiderstände angelegten Kontrakti onsspannungen befinden sich in lateraler Richtung, während sich die an die Eichwiderstände 4 und 6 angelegten Kontrak tionsspannungen in longitudinaler Richtung befinden. Als Er gebnis steigen die Widerstandswerte der Eichwiderstände 3 und 5 jeweils auf R+RΔ an, während die Widerstandswerte der Eichwiderstände 4 und 6 jeweils auf R-RΔ verringert werden. Dadurch wird ein Ungleichgewicht in der Brücken schaltung verursacht, mit dem Ergebnis, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen 7 und 8 eine Ausgangsspannung erzeugt wird.

Bei dem Druckerfassungschip 10 gemäß der vorliegenden Erfin dung ist insbesondere bedeutsam, daß die vier Eichwider stände 3 bis 6 benachbart zueinander in konzentrierter Art und Weise bei einer Stelle angeordnet sind, so daß die Eich widerstände 3 bis 6 im wesentlichen dieselbe Kontraktions kraft erfahren, und damit eine genauere Erfassung von Druckänderungen im Vergleich zu dem eingangs beschriebenen Chip ermöglicht wird.

Wie oben beschrieben wurde, sind die vier Eichwiderstände 3 bis 6 bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel auf derartige Weise angeordnet, daß sie ein Quadrat bilden. Diese Art der Anordnung ist dann am günstigsten, wenn die vier Eichwider stände benachbart zueinander angeordnet sind und auf derar tige Weise verbunden sind, daß sie eine Brückenschaltung bilden. Jedoch ist diese Art und Weise der Anordnung der Eichwiderstände auf der Oberfläche des Membranabschnittes nicht auf diese Anordnung beschränkt. Vielmehr ist eine be liebige Art der Anordnung möglich, solange die vier Eichwi derstände nahe zueinander derart angeordnet sind, daß zwei von ihnen eine Kontraktionskraft in longitudinaler Richtung empfangen und die anderen zwei eine Kontraktionskraft in ei ner Richtung empfangen, welche im wesentlichen senkrecht ist zu der longitudinalen Richtung, und solange die vier Eichwi derstände elektrisch miteinander derart verbunden sind, daß sie eine Brückenschaltung bilden, bei der zwei beliebige be nachbarte Eichwiderstände Kontraktionskräfte aus unter schiedlichen Richtungen empfangen.

Wie vorstehend beschrieben wurde, sind bei dem Druckerfas sungschip für einen Halbleiterdruckdetektor gemäß der vor liegenden Erfindung die vier Eichwiderstände bei einer Posi tion in dem Membranabschnitt derart konzentriert, daß selbst im Falle eines Offset des Zentrum der Deformation des Mem branabschnittes von der Mitte des Membranabschnittes Varia tionen von Spannungen unter den Eichwiderständen aufgrund eines derartigen Offset, welche an die Eichwiderstände ange legt sind, lediglich bis zu einem relativ kleinen Grad auf treten, wodurch ein Druckerfassungschip mit einer größeren Zuverlässigkeit zur Verfügung gestellt wird.

Claims

1. Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor, welcher aufweist:
einen Siliziumwafer mit einer (100)-Kristallebene;
einen auf dem Siliziumwafer gebildeten Membranabschnitt, welcher durch einen zu erfassenden Druck deformierbar ist; und
eine Gruppe von Eichwiderständen bestehend aus vier Streifen von Eichwiderständen mit einer piezoelektri schen Eigenschaft, wobei die Eichwiderstände in enger Nachbarschaft zueinander bei einer Position auf der Oberfläche des Membranabschnittes gebildet sind, zwei der Eichwiderstände sich auf derartige Weise erstrecken, daß sie eine Kontraktionskraft in longitudinaler Richtung nach einer beliebigen Deformation des Membranabschnittes empfangen, die anderen beiden Eichwiderstände sich auf derartige Weise erstrecken, daß sie eine Kontraktions kraft im wesentlichen senkrecht zu der longitudinalen Richtung nach einer beliebigen Deformation des Mem branabschnittes empfangen, die vier Eichwiderstände elektrisch miteinander derart verbunden sind, daß sie eine Brückenschaltung bilden, bei der zwei beliebig be nachbarte Eichwiderstände Kontraktionskräfte in unter schiedliche Richtungen empfangen.

2. Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der vier Eichwiderstände sich in einer Richtung zur Mitte des Membranabschnittes erstrecken, und die anderen bei den sich in eine Richtung im wesentlichen senkrecht zur Richtung zur Mitte des Membranabschnittes erstrecken.

3. Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Eichwiderstände auf derartige Weise angeordnet sind, daß sie ein Rechteck bilden.

4. Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Eichwiderstände auf derartige Weise angeordnet sind, daß sie ein Quadrat bilden.

5. Druckerfassungschip für einen Halbleiterdruckdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch auf dem Silizium wafer gebildete Ausgangsanschlüsse, die zur Erzeugung einer Ausgangsspannung der durch die vier Eichwider stände gebildete Brückenschaltung ausgebildet sind.