DE7828255U1

DE7828255U1 - Halbleiter-drucksensor mit piezoresistiven elementen

Info

Publication number: DE7828255U1
Application number: DE19787828255
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1979-04-19

Description

R. ^972

1.2-1^79 Lr/Sm

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

KalOleiter-Drucksensor nit -piezoresistiven Elementen Zus aminen fas s un fr

Die Erfindung betrifft einen monolithischen Halbleiter-Drucksensor, der eine integrierte piezoresistive Wxderstandsbrüeke auf einer einkrxstallinen, elliptischen Silizxurar-Menbran enthält.

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Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Bekanntlich ändert sich der spezifische Widerstand von einkristallinen Halbleitern, wenn mechanische Spannungen einwirken. Man spricht dann vom piezoresistiven Effekt, Dieser Effekt ist anisotrop, er hängt also von der Richtung der Silizium-Kristalle gegenüber den Richtungen der einwirkenden Kräfte und. gegenüber der Stromrichtung in diesen Widerständen ab. Druck-, Kraft- und Beschleunigungswandler, die auf diesem Frirzip arbeiten, sind bekannt. Dabei können sich die piezoresistiven Widerstände in verschiedenen Kristallebenen des Silizium-Einkristalls befinden, was jeweils entsprechend Vor- und Nachteile bei der Anwendung mit sich bringt. Bevorzugte Kristallebenen für die Widerstände sind die (111)-Ebene, die (HO)-Ebene und die (OOl)-Ebene.

Meistens werden bei solchen Anwendungen des piezoresistiven Effekts Widerstandsmeßbrücken benutzt, von denen sich entweder ein Teil oder auch alle Widerstände auf einer elastischen Unterlage befinden, die speziell zur Druckmessung als Membran ausgebildet sein kann. Auch die Formen dieser Membranen sind vielfältig, wobei kreisrunde oder rechteckige Membranen bevorzugt werden. Wenn Druck auf eine kreisrunde Membran wirkt, sind die mechanischen Spannungen dort nur vom Abstand vom Membranmittelpunkt abhängig. Die mechanischen Spannungen im Membranmittelpunkt sind für alle Richtungen gleich groß. Eine Wid rstandsbrücke muß daher auf einer Kreismembran unsymmetrisch oder exzentrisch angeordnet werden, um in den verschiedenen Widerstandszweigen bei Druckeinwirkung piezoresistive Änderungen hervorzurufen, die sich nicht zu Null kompensieren.

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Dies führt aber zu Linearitätsproblemen der piezoresistiven Widerstandsbrücke und zu unerwünschten Offset-Spannungen des elektrischen Ausgangssignals der Druckmeßanordnung. Andererseits lassen sich Kreismembranen relativ genau reproduzierbar realiäierei

Besser geeignet sind rechteckige Membranen in Bezug auf die oben genannten Nachteile. Hier sind die mechanischen Spannungen in Längs- und Querrichtung stark verschieden. Man kann dah&r eine quadratische Widerstandsbrücke in der Mitte der Membran anordnen und verbessert somit das Linearitäts- und Offset-Verhalten der piezoresistiven Meßanordnung. Jedoch erhält man, /"· bedingt durch die Herstellungsverfahren der Membran (Ätzen)₅ nur ungenügend genau reproduzierbare Membranen. Die Folge davon sind große Exemplarstreuungen in der Empfindlichkeit der Meßanordnungen. Ein weiterer Nachteil der Rechteckmembran sind die erhöhten mechanischen Beanspruchungen in den Ecken der Membran. Brüche in diesen Bereichen der Membran sind häufig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Drucksensor zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden sind. Hierzu wird vorgeschlagen, die Membran elliptisch auszubilden. Da eine elliptische Membran erfindungsgemäß keine Ecken besitzt, ist sie erheblich bruchfester und damit höher belastbar als die Rechteckmembran. Auch läßt sie sith gut V-·' reproduzierbar - wie die Kreismembran " herstellen. Wie die Rechteckmembran kann man bei der elliptischen Membran eine quadratische Brückenschaltüng in der Mitte der Membran anordnen,> was die Linearität und das Offset-Verhalten der Ividerstandsbrücke verbessert. Nicht zuletzt ist eine elliptische Membran mathematisch gut zu behandeln.

Die Voraussetzung zur Herstellung einer solchen elliptischen Membran ist ein schnelles Ätzverfahren, damit sich die Gitterstruktur des Siliziums beim Ätz^/organg nicht auf die

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Membranform auswirkt, das Ätzen muß also isotrop errolgen.

Solche schnellen Ätzverfahren wurden sowohl im elektrochemischen Ätzen als auch im chemischen Ätzen gefunden^ deren Ausführungen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Ansicht auf einen erfxndungsgemäßen Drucksensor

Fig. 2: einen Schnitt durch den Drucksensor

Fig. 3: eine Draufsicht auf die piezoresitive Wxderstandsbrücke Fig. 4: ein entsprechendes elektrisches Schaltbild.

Beim Ausführungsbeispxel nach Fig.l befindet sich auf n⁺-dotierteir niederohmigem Si-Substrät 1 eine hochohmige n-Epitaxieschicht 2. , Die Hauptebene des Drucksensor-Chips liegt parallel zur (001)-Eben des Si-Einkristalls, die Seitenkanten bilden zur (100)-Kristallrichtung beziehungsweise zur (OlO)-Richtung einen Winkel von ^5°. Die Kantenlänge des quadratischen Chips beträgt H,J> mm. Auf der Unterseite des Chips wurde in der Mitte eine elliptische Kaverne eingeätzt j deren Hauptachsen parallel zu den Rändern des Chips ausgerichtet sind. Die Hauptachsen dieser elliptischen Kavernen haben ungefähr ein Längenverhältnis von 2:1, d.h. wenn die größere Hauptachse 2,8 mm lang ist, ist die kleinere Hauptachse ca. 1,4 mm lang. Im Bereich der eingeätzten Kaverne bleibt lediglich eine dünne Membran 4 - die Epitaxieschicht - stehen, die an den Rändern durch das Substrat 1 gehalten wird. In der

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Mitte der Membran wurde durch Diffusion oder durch Ionenimplantat mit Bor eine p-leitende quadratische Widerstandsbrücke integriert, deren Widerstandszweige parallel zu den Rändern des Chips verlaufen und ca. 0,22 mm lang sind. Die Längsrichtung der Widerstände ist also- wie die Seitenkanten des Chips - um 45° gegenüber den Kristallachsen in (100)- bzw. (101)- -Richtung gedreht.

Außerdem befinden sich noch innerhalb der Widerstandsbrücke ein Transistor 6 zur Messung der Temperatur und an den Rändern elektronische Schaltungen 7 zur Spannungsversorgung der Meßbrücke und zur Ausgangssignalverarbeitung, die für die Erfindung unerheblich sind.

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den Chip entlang der großen Hauptachse der elliptischen Membran (x-Achse). Auf dem Si-Substrat 1 befindet sich die Epitaxieschicht 2, die im Bereich der von unten herausgeätzten Kaverne 3 die Membran 4 bildet. In diese Membran sind die piezoresistiven Widerstände 5, R₁ bis R₁,, integriert. Diese Widerstände können rein ohmische Widerstände sein, können aber auch Transistoren, z.B. aus vier ICFET's, aufgebaut sein.

Fig. 3 zeigt in der Draufsicht die piezoresitive Widerstandsbrücke und Fig. 4 das entsprechende elektrische Schaltbild. Da im drucklosen Zustand die Widerstände R₁bis R₂₁ gleichgroß sind, ist die quadratische Meßbrücke symmetrisch. Eine an die zwei gegenüberliegenden Kontakte 8 angelegte Spannung U« führt zu keiner Ausgan^sspannung U. zwischen den beiden anderen Kontakten 9.

Wirkt Druck auf die Membran, so entstehen in der Membran mechanische Dehnungen und Spannungen. Da die Widerstandsbrücke genau in der Mitte der Membran positioniert ist,

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sind die mechanischen Spannungen in den gegenüberliegenden Widerstandszweigen gleich groß. Die mechanischen Spannungen in der Membranmitte haben in x- und y-Richtung das gleiche Vorzeichen. Entsprechend dem Hauptachsenverhältnis der Membran ist die mechanische Spannung in y-Richtung (Richtung der kleinen Hauptachse) etwa doppelt so groß wie die Spannung in x-Richtung (Richtung der großen Hauptachse).

Der piezoresistive Effekt in den Widerstandszweigen setzt sich bei dieser gegebenen Anordnung aus dem Transverssileffekt und dem Longitudinaleffekt zusammen, da in jedem Widerstandszweig sowohl eine mechanische Spannung in Stromflußrichtung als auch eine mechanische Spannung in senkrechter Richtung zum Stromfluß vorliegt.

Durch die oben beschriebene Ausrichtung der Widerstandsbrücke und der elliptischen Membran gegenüber den Kristallachsen des Si-Einkristalls erreicht man, daß sich die¹ Widerstände R₁ und Rp bzw. R- und R₂^ jeweils gleichstark bei Druckeinwirkung auf die Membran verändern, und die Widerstandsänderungen der nebeneinanderliegenden Widerständen im Betrag nach ungefähr gleich groß sind, im Vorzeichen aber verschieden. Damit erhält man im linear elastischen Dehnungsbereich des Silizium ein dem Druck ρ proportionales, lineares Ausgangssignal U_A = f (p).

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Claims

R. 1*972 1.2.1979 Lr/Sm ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1 Ansprüche

1. Monolithischer Halbleiter-Drucksensor mit einer ."iembran, die fest mit einem als Stützrand ausgebildeten Substrat verbunden ist und sich unter Druckeinwirkung verbiegt und

f r aufgrund des piezoresistiven Effekts dadurch eine Änderung

ihrer elektrischen Leitfähigkeit erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (¹I) von elliptischer Form ist.

2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) eine nach den Grundsätzen der Halbleiter-Technologie hergestellte Brückenschaltung

aus vier integrierten Widerständen (FL₃ FU > R-J₁J R'n} ^zur Messung des piezoresistiven Effekts trägt.

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3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (¹I) eine piezoresistive Brücke aus vier
integrierten Transistoren enthält.

4. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (4) aus einer Epitaxieschicht (2) von
η-leitendem Silizium besteht, die auf η -leitendem Substrat (1) aus Silizium abgeschieden wurde.

5. Halbleiter-Druck.sensor nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, C ^daß die Hauptebens der elliptischen Membran parallel zur

(lOO)-Ebene des Silizium-Einkristalls liegt.

6. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen der elliptischen Membran das Längenverhältn 2:1 haben und daß diese Hauptachsen zu den (100)- und (010)-

-Kristallachser. einen Winkel von 45° bilden.

7. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 4 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die piezoresistive WiderStandsbrücke (5)
p-leitend ist, derart, daß die p-leitenden piezoresistiven
Zonen mit Bor durch Diffusion oder durch Ionenimplantation

s- in die Membran (¹O integriert sind und daß sich die

Widerstandsbrücke auf der Hauptebene des Chips (1) befindet.

8. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoresistive Widerstandsbrücke quadratisch aufgebaut ist, ihre vier Zweige direkt verbunden sind und im
unverspannten Zustand gleich große Widerstände haben und

daß sich die Widerstandsbrücice in der Mitte der Membran
befindet.

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9. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandszweige der piezoresistiven Widerstandsbrücke Gegenüber der (100)- und (010)- Kristallachsen um Ii5 gedreht sind»