KR840002283B1 - 실리콘 압력 변환기 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

실리콘 압력 변환기
제1도는 본 발명에 의한 압력변환기의 평면도.
제2도는 압력변환기의 제조를 도시하는 실리콘 웨이퍼부분을 예시한 횡단면도.
제3도는 인가된 압차에 대한 센서의 출력전압을 예시한 그래프.
본 발명은 일반적으로 모놀리틱 실리콘 압력센서에 관한 것으로, 특히 실리콘내의 전단응력(shear stress)피에조저항 효과를 이용한 단일소자 압력센서에 관한 것이다.
적합하게 위치된 실리콘 저항기의 저항값이 실리콘 결정의 가요성(flexing)에 반응하여 변화한다는 것은 이미 주지된 사실이며, 이러한 피에조저항반응은 압력변환기를 제조하는데에 이용되어 왔다. 저항기가 형성된 실리콘 다이어프램 양단에 인가되는 차압(differential pressure)은 저항기의 저항값을 변화시킨다.
이와같은 저항값의 변화는 차압의 변화에 비례하여 변화한다.
과거에는 압력센서로서 단일저항기를 사용하는 것은 실용적이 아니라고 생각했었다. 왜냐하면, 일반적으로 단일저항 변환기에 대한 저항의 백분율 변화는 실질상 너무 작기 때문에 이때 발생되는 작은 신호는 고감도 증폭기를 요구할 뿐만 아니라 잡음에 관련하는 문제점을 야기한다.
따라서, 종래의 많은 방식은 휘트스톤 브리지(Wheatstone brige) 구성으로 되는 4개의 저항기를 배열하여 사용해 왔다. 이러한 브리지의 각 저항기에 대한 저항값의 작은 변화는 브리지에상쇄(offset)를 나타내고 용이하게 검출신호를 제공한다. 그러나, 이러한 휘트스톤 브리지방식은 다음과 같은 다른 문제점에 직면한다.
즉, 상기 브리지에 사용된 4개의 저항기가 제로(0) 상쇄를 방지하기 위한 저항값, 즉 예를들어 인가된 압차를 제로로 하기 위한 비제로 출력값에 정밀하게 정합되어야 하는 문제점에 직면하게 된다.
이렇게 정밀하게 정합시키려면, 상기 4개의 저항기를 기하학적으로 배치시켜 확산변수가 균일하게 조정되도록 하여야 한다.
더우기, 중용한 것은 4개의 저항기가 동일한 온도 계수를 가져야 하며, 각 소자의 저항값이 동일한 온도로서 변화해야 한다는 것이다. 제로상쇄를 야기하는 소자값의 차를 수정하는 것이 가능하지만 열 계수에 있어서의 차를 수정하는 것이 매우 어렵기 때문에 바람직하지 못하다.
만일 상기 4개의 저항기에 대한 온도계수가 동일하지 않다면, 각각의 소자는 온도가 변화할때 제로 상쇄를 변화시키는 몇가지 다른 방식으로 변화시켜야 할 것이다.
아울러, 가장 양호한 방식은 압력의 변화가 대략 직선이 되는 출력을 가진 압력변환기를 요구하고 있다.
일반적으로, 상술한 휘트스톤 브리지가 직선반응을 갖도록 설계될 때는 비교적 낮은 출력을 갖는데, 이러한 낮은 출력은 잡음 및 증폭에 대한 문제점을 초래한다.
따라서, 상기 언급된 휘트스톤 브리지와 종래 기술의 다른 압력변환기에 대한 결점에 기인하여 개량된 압력변환기가 필요하게 되었다.
그러므로, 본 발명의 목적은 변환기 소자의 정합을 요구하지 않는 실리콘 압력변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 개선된 반응재생 및 개선된 반응온도 계수를 갖는 실리콘 압력변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작은 제로 압차의 상쇄를 갖는 실리콘 압력변환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적들과 그리고 장점들은 전단응력효과를 통해 압력이 유발되는 응력에 최대로 반응하여 위치된 4개의 접촉 저항 소자가 접속되어 있는 단일 압력변환 소자를 통해 달성된다. 이와같은 효과를 최대로 하기 위해, 상기 저항기는(100) 표면 방향을 갖는 실리콘 막판(membrane)에 형성되는데, 즉 실리콘 막판의 선단부는(110) 결정선 방향을 따라 위치되며, 저항기는 상기 실리콘막판의 선단부에 대하여 45˚의 각도로 위치된 전류축을 따라 전류를 인가시키는 전류접촉부로서 제공된다. 압력이 유발된 응력에 반응하여 발생되는 횡방향전압은 저항기의 선단부에 위치된 전압접촉부에서 검류될 수 있다. 이러한 전압은 전류축에 수직한 선을 따라 발생된다.
이제 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
제1도는 본 발명에 의한 압력변환기의 평면도를 도시한 것이다. 이러한 압력변환기는(100)표면 방향을 가진 실리콘막판, 즉 다이어프램(12)에 형성된다. 상기 막판은 장방형(rectangular)으로 되어 있으나 정방형(square)인 것이 바람직하다. 점선(14)으로 표시된 상기 막판의 측면은 (110) 결정선 방향에 평행하게 위치되어 있다. 상기 막판구조에 대한 결정학상의 위치 및 방향은 반도체 기술에 이미 주지된 구조와 동일하다.
변환기 소자(16)는 확산 및 이온전달등에 의해 막판(12)에 형성되는데, 상기 변환기소자(16)는 전류축(20)을 따라 위치되는 연장된 저항기부(18)를 포함한다.
상기 전류축은(100) 결정선 방향을 따라 위치되며 막판의 선단부와 45℃의 각도를 형성한다. 전류접촉부(22),(23)는 저항기(18)의 단부에 전기적으로 접촉한다. 이러한 전류접촉부는 저항기(18)의 단부에서 외부다이어프램(12) 위치로 저임피던스 통로를 제공하는 고전도 확산 영역이며, 두껍게 도포되는 것이 바람직하다.
전압탭(26),(27)은 저항기의 길이에 따라 대략 중간 지점의 두 측면 저항기(18)를 따라 위치된다.
상기 전압탭들은 전류가 전류축(20)을 따라 흐를때, 다이어프램(12)의 가요성에 반응하여 발생되는 횡방향 전압의 검출 및 측정을 하는 작용을 한다.
이러한 전압탭(26),(27)에 대한 저항 접촉은 각각의 전압접촉부(29),(30)에 의해 이루어진다. 상기전압 접촉부는 두껍게 도포되는 것이 바람직하며, 전압탭에서 외부다이어프램(12) 위치로 확장된 고정도 영역이다.
변환기 소자(16)는 다이어프램 선단부의 중간 위치에서 다이어프램의 선단부에 밀접하게 위치되어 있다. 이러한 위치는(100) 방향을 따라 전류축의 방향과 합동하여 저항기내의 전단응력을 최대로 하며, 반면에 전류축을 따라 종방향 및 횡방향 응력을 최소화 시킨다. 변환기 소자의 반응을 수학적으로 나타내면, 다음과 같은 방정식으로 기술된다. 즉
E1'=ρ0i1'[1+π'11σ1+π'12σ2']
E2=ρ0ii1π'44τ12
여기서 i1' ; 인가된 피일드 E1에 평행하게 흐르는 전류밀도
ρ0; 본체(body)의 고유저항
E2; 전류에 수직한 전압
σ1; 전류에 평행한 응력
σ2; 전류에 수직한 응력
τ12; 저항기 평면내의 전단 응력이다.
상기 계수들 π11', π12', π44'는 전류측과 이 전류측에 수직인 웨이퍼 법선으로 정의디는 좌표계로 변형되는 피에조저항계수이다.
이와같은 결과들은 평면응력의 상태와, 여기서 고려되는 얇은 막판에 대한 유효근사치를 가정한 것이다. 지적된 바와같이, 전단응력 τ'12는 전류축에 대한 우측각도에서 전압 E2를 방생시킨다. 변환기소자(16)의 방향 및 위치는 π'44를 최대로 하고, 동시에 π'12및 π'11를 최소로 하기 위해 선택된다.
다이어프램 양단의 압차는 이러한 압차의 크기에 비례하며 전압탭(26),(27)에서 검출할 수 있는 전압을 발생시킨다. 이것은 호울(hall) 장치에 대한 물리적인 아날로그로서 식별될 수 있으며, 여기서 피에조정항 계수 π'44는 호올계수 RH로 대체하고, 전단응력 τ12는 자계의 세기 B로 대체한다.
실리콘 결정의 대칭성 때문에 소자(16)는 제1도에서 "X"로 도시된 어떤 위치(32)에서 동일하게 배치될 수 있다.
이러한 위치에서의 각 결정구조는 결정학상의 구조와 동일하며, 또한 정방형 다이어프램의 각 결정구조도 기계학적상의 구조와 동일하다. 다이어프램의 선단부 근처의 위치는 원치않는 선단부나 혹은 경계효과를 초래하지 않고 전단응력효과를 최대로 하기 위해 선택된다.
제2도는 본 발명에 따른 압력변환기를 수행하기 위한 양호한 실시예를 예시하는 횡단면도이다. 변환기는 약 1-10Ω/cm의 저항율과 그리고(100)결정표면 방향을 가진 n형 실리콘 웨이퍼(34)내에 형성된다.
양호한 실시예에 있어서, 저항기소자는 종래의 사진석판 기법과 확산 기법에 의해 웨이퍼(36) 표면(36)내에 형성된다. P형저항기는 약3(㎛)의 깊이에서 확산되며, 평방(m)당 약 200-300(Ω)의 시이트(sheet)저항율을 갖는다.
전압탭들에 대한 전류접촉부 및 접촉부들은 평방(m)당 약 10-20(Ω)의 저항율을 갖는 고농도 P형 확산 영역이다. 상기 접촉부의 확산영역은 변환기소자자체의 동작을 거의 방해하지 않는 고전도 영역이다. 또한, 전압탭 및 전류접촉부에 대한 접촉은 변환기소자 자체를 접촉하는 금속리이드(lead에 의해 접촉될 수 있으나 얇은 실리콘 다이어프램상에 직접 금속을 사용하면, 온도계수에 관한 문제점을 초래할 수도 있다.
실리콘 다이어프램상에 직접 금속을 사용하는 것은 주변온도가 변화할때 바람직하지 않은 섭동(perturbation)현상을 초래하는 이중금속구조를 형성하는 경향이 있다.
리세스(38)는 얇은 다이어프램 영역(12)을 형성하는 웨이퍼(34)의 후방측면부에서 에칭된다. 이러한 리세스는 예를들어, 수산화칼륨 및 이소프로필 알코올의 수용액과 같은 비양자성 실리콘 부식제(etchant)를 사용하여 에칭될 수 있다.
수산화칼륨 혼합물은 (111) 평면에서 보다는 오히려 (100) 평면에서 신속하게 에칭한다.
따라서, 평면형 다이어프램(12)는 (100)평면 방향 웨이퍼에서 형성된다. 리세스(38)는 (111) 평면에 의해 그것의 선단부(40)에서 경계를 짓는다. 다이어프램의 선단부에서의 두꺼운 실리콘영역(42)은 이러한 다이어프램의 선단부를 경계짓기 위해 제공한다. 또한, 이러한 두꺼운 실리콘 영역은 변환기에 기계적인 강도를 제공한다. 약 1기압 정도의 압력영역에 유용한 변환기를 위해서는 약 25㎛의 두께와 약 1.4mm의 측면길이를 갖는 다이어프램이 사용된다. 확산된 저항기는 상기 다이어프램의 선단부로 부터 약 80-120㎛의 가장 근접한 부분에 배치된다.
두껍게 확산된 영역(22),(23),(29) 및 (30)으로 부터 회로 외부까지의 접촉을, 변환기와 절연층을 가진 임의의 수동 변환기 표면으로 촉진하기 위해 변환기를 금속화한 후에, 변환기 웨이퍼(34)는 벡킹웨(backing)이퍼(44)에 결합된다. 상기 두 에이퍼는 예를들어, 통상 진공속에서 실행되는 저온도 유리 혼합물의 밀폐 공정에 의해 밀폐된다. 이러한 공정에 의해, 밀폐 유리 혼합물이 웨이퍼(44)에 인가된다.
다음 진공 봉입관(enclosure) 내에서, 두 웨이퍼가 함께 프레스되어, 밀폐 유리를 용융시키기 위해 충분한 온도로 가열된다.
이렇게 형성된 변환기는 절대치 압력센서나 혹은 차압센서이 둘중 하나로 사용하기에 적합하다. 차압센서를 형성하기 위해서는 상기 웨이퍼(44)가 리세스(38)와 정력된 호올(46)과 함께 제공된다.
그런 다음, 센서는 다이어프램(12)의 상면(36)을 제1압력에, 그리고 상기 호올(46)을 통해 상기 다이어프램의 하측면을 제2압력에 드러내기 위해 패키지 된다. 이와같은 두 압력차는 다이어프램(12)의 가용성을 야기한다.
상기 언급한 절대치 압력센서는 호올이 없는 통합웨이퍼(44)에 의해 형성된다. 밀폐공정 통안, 진공이나 혹은 주지된 소망의 다른 압력에서 얻어진 리세스(38) 내에서 밀폐되어, 다이어프램(12)의 상면(36)압력과 비교되는 기준압력을 제공한다. 기준압력과 다른 압력은 이러한 압력차에 비례하는 다이어프램의 가요성을 야기한다. 아울러, 이와같은 비례하는 가요성은 압력차에 비례하는 전압을 전압탭에 나타나게 한다.
제2도는 단일 변환기의 제조공정을 도시하였지만, 이와같은 복수개의 변환기 장치는 통상적으로 반도진 산업분야에서 이미 주지된 방식으로 웨이퍼(34) 내에 동시에 제조된다.
각각의 개별 변환기는 예를들어, 상기 웨이퍼를 주사위 모양으로 절단(saw)함으로써 분리되며, 상기 각각의 센서는 하나의 변환기를 내포한다.
본 발명에 따라 제조되는 압력센서로 부터의 출력반응은 제3도에 예시되어 있다. 전압탭에서 측정된 전압출력은 인가된 압차의 함수로서 도시되었다. 인가된 출력전압은 약 3(V)정도이다.
상술된 제3도에는 두 가지의 서로 다른 온도에서 얻어진 측정치가 도시되었으며, 이러한 직선성의 최대 편차는 약 35(㎶)미만이다.
본 발명에 따라서, 전단응력에 민감한 단일 저항소자의 4개의 접촉 피에조저항 소자를 구비한 실리콘 압력 변환기가 여기에 제공되어 있다. 상기 압력변환기에 형성된 저항기소자와 다이어프램은 인가된 압력변화에 반응하여 출력을 최대로 하도록 위치되어 있다.
본 발명은 지금까지 특정 실시예만을 참고하여 설명되었지만, 본 발명이 여기에만 국한되어 있는 것은 아니다. 상술한 특정실시예는 평방 인치당 0 내지 15파운드 정도의 압력차를 측정하는데에 특히 적합하다. 다이어프램의 두께나 혹은 크기를 증가 혹은 감소시킴에 의해 유사한 센서가 보다 높거나 낮은 공칭(nominal)압력차 용으로 제조될 수 있다.
전술된(100) 및 (110)과 같은 참조 기호는 바람직한 결정선 위치 및 방향을 예시하기 위해 사용되었다. 이것은 본 기술에 통상의 지식을 자진자에게는 본 발명의 정신이내에서 이러한 위치 및 방향이 여러가지로 변화될 수 있다는 것을 알수 있게 될 것이다. 이러한 위치 및 방향이 예시된 영역의 약 ±10 내지 15 퍼센트 이내에 유지되어 있을때 만족스러운 결과가 얻어지며, 이러한 방향 및 위치가 ±2 내지 3퍼센트 이내에 유지되는 것을 더욱 더 바람직하다.
또한, 이러한 확산 결과에 대한 특정실시예는 첨부된 도면에 의해 상세하게 예시되어 있다. 예를 들면, 다른 저항율 및 확산 깊이와 그리고 도우핑 레벨이 특정응용을 위한 압력변환기를 최적화 시키기 위해 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 다음의 청구 범위에 대한 영역 및 정신이내에서 상술한 바와같은 변경 및 수정이 가능하다.

Claims (1)

  1. 압력의 변화에 반응하여 가용성을 야기할 수 있는 제1도 전율유형의 실리콘 다이어프램(12)과, 반대 도전율유형의 상기 다이어프램(12) 내의 확산된 영역(18)과, 전류가 상기 다이어프램(12) 평면내의 확산된 영역을 통해 인가될 수 있는 상기 확산된 영역에 대한 제1 (22) 및 제2 (23) 전기 단자와, 상기 제1 (22) 및 제2 (23) 전기 단자 사이의 선(20)에 거의 수직인 선을 따라 반대측상에 위치된 상기 확산된 영역(18)에 대한 제3(29) 및 제4(30) 전기단자들로 구성되며, 이러한 제3(29) 및 제4(30) 전기단자가 상기 다이어프램(12)의 가용성을 야기하며 인가되는 압력에 반응하여 발생되는 전압의 검출과 측정을 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 압력변환기
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