DE3543261A1

DE3543261A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3543261A1
Application number: DE19853543261
Authority: DE
Inventors: Ottomar Dr Jaentsch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1985-12-06
Filing date: 1985-12-06
Publication date: 1987-06-11

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor aus einer durch Halbleitermaterial hergestellten Druckmembran, aus vier auf der Druckmembran integrierte, schwach dotierte und gegenseitig sich nicht berührende Dehnungsmeßstreifen, die in Brückenschaltung geschaltet sind und aus außer halb der Brückenschaltung angebrachten Leitungszuführun gen.

In der industriellen Meßtechnik werden heute zum Überwa chen, Steuern und Regeln der technischen Prozesse sehr häufig Halbleiterdrucksensoren verwendet. Sie formen die nicht elektrische Größe Druck in ein analoges elektri sches Signal um, welches anschließend weiterverarbeitet wird.

Die bisher verwendeten Halbleiterdrucksensoren werden häufig aus Siliziummaterial hergestellt und nutzen den sogenannten Piezowiderstandseffekt aus. Beim Piezowider standseffekt verändert sich der elektrische Widerstand des Materials, wenn es einer Zug- oder Druckbeanspru chung ausgesetzt wird (W. Heywang: Sensorik, ab Seite 114). Es existieren Ausführungsformen, bei denen die vier Dehnungsmeßstreifen selbst die gesamte Brückenschal tung bilden (Breimeiser, F.; Poppinger, M; Schwaier, A; Piezoresistive pressure sensor with silicon diaphragm, Siemens Forschungs- und Entwicklungs-Bericht 10 (1981)) oder Ausführungsformen, bei denen die Dehnungsmeßstrei fen sich nicht gegenseitig berühren und die Verbindung untereinander und an die Leitungszuführung über Metall leiterbahnen hergestellt wird (Siemens Components, 23. Jahrgang Heft 2/85, Seite 64). Durch geringe Unge nauigkeiten beim Herstellungsprozeß verhält sich der Drucksensor nicht ideal. Dies bedeutet, daß auch ohne Druckbelastung auf den Sensor die Brücke nicht abge glichen ist und sich ein Nullpunktsfehler ergibt. Dieser Fehler muß durch eine Offsetspannung kompensiert werden.

Aufgrund der Länge der einzelnen Dehnungsmeßstreifen in der zuerst beschriebenen Ausführungsform resultiert ein nicht optimales lineares Verhalten der Signalspannung als Funktion des Druckes. Im Gegensatz dazu zeigt die zweite Bauform, ein optimales lineares Verhalten der Signalspan nung als Funktion des Druckes, jedoch bedingt die zwei te Bauform Metallhalbleiterübergänge in der Brückenschal tung, wodurch es zu Instabilitäten der Offsetspannung kommt. Diese Übergänge haben eine Diodencharakteristik also auch einen Übergangswiderstand der um so stärker aus geprägt ist, je schwächer die Halbleiterdotierungsschicht und je kleinflächiger der Übergang ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druck sensor mit verbesserter Linearität zwischen der nicht elektrischen Größe Druck und dem daraus resultierenden elektrischen Signal herzustellen, sowie die nachteiligen Auswirkungen der Metallhalbleiterübergänge in der Brücke zu reduzieren.

Diese Aufgabe bei einem Drucksensor der eingangs angege benen Art wird durch kräfteunempfindliche Anschlußberei che gelöst, die die Dehnungsmeßstreifen untereinander und mit den äußeren Leitungszuführungen verbinden und aus mindestens einer Halbleiterschicht bestehen.

Es gibt grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten diese Anschlußbereiche herzustellen. Eine Möglichkeit besteht darin, den Anschlußbereich aus einer Halbleiterschicht und einer darüber angeordneten gleich breiten Metall schicht auszubilden, durch die die Halbleiterschicht kurzgeschlossen wird. Weitere Möglichkeiten bestehen in einer höheren Dotierung oder einer breiteren Halbleiter schicht in den Anschlußbereichen. Andere Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, die Übergangswiderstände zwischen den Dehnungsmeßstreifen untereinander und zu den äußeren Lei tungszuführungen sowie der Metallhalbleiterübergänge zu reduzieren, so daß eine stabile Offsetspannung für den Betrieb des Drucksensors gewährleistet ist. Durch die Einführung der kräfteunempfindlichen Anschlußbereiche können die Dehnungsmeßstreifen kürzer gestaltet werden und so ein lineares Verhalten zwischen Druck und resul tierendem elektrischen Signal aufzuweisen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen (Fig. 1 bis Fig. 15 weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt die Brückenschaltung der Dehnungsmeßstrei fen und der Anschlußbereiche.

Fig. 2 bis Fig. 15 zeigen je einen Querschnitt und eine Draufsicht eines Teils der Brückenschaltung mit dem neu eingeführten Anschlußbereich.

In Fig. 1 ist die Brückenschaltung der Dehnungsmeßstrei fen D zu einem Drucksensor mit einer aus Halbleiterma terial hergestellten Druckmembran P dargestellt. Die An schlußbereiche A Φ verbinden die äußere Leitungszuführung L über die Metallhalbleiterübergänge Ü mit den Dehnungs meßstreifen.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt und Fig. 3 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 1 mit einer Verbrei terung der Halbleiterschicht, sowie zwei angeschlossene Dehnungsmeßstreifen D. Die Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3) im Anschlußbereich ist gleich hoch wie die der Dehnungsmeßstreifen, so daß der Drucksensor in einem einfachen Herstellungsprozeß hergestellt werden kann. Der Metallhalbleiterübergang Ü zwischen der äußeren Lei tungszuführung L und dem Anschlußbereich liegt außerhalb der Brückenschaltung und hat somit keinen störenden Ein fluß auf die Signalgröße. Die Verbreiterung der Halblei terschicht bewirkt eine Reduzierung des Übergangswider standes zwischen den Dehnungsmeßstreifen untereinander und der Leitungszuführung, sowie eine Kräfteempfindlich keitsverminderung in diesem Anschlußbereich.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt und Fig. 5 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 2 mit zwei ange schlossenen Dehnungsmeßstreifen D. Die Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 10²⁰ cm^-3) im Anschlußbereich ist höher wie die Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3) in den Dehnungsmeß streifen. Der Metallhalbleiterübergang Ü zwischen der äußeren Leitungszuführung L und dem Anschlußbereich liegt ebenfalls außerhalb der Brückenschaltung und hat daher keinen störenden Einfluß auf die Signalgröße. Die höhere Dotierungsrate in dem Anschlußbereich bewirkt eine Reduzierung des Übergangswiderstandes zwischen den Dehnungsmeßstreifen untereinander und der Leitungszufüh rung, sowie eine Kräftempfindlichkeitsverminderung in diesem Anschlußbereich.

Fig. 6 zeigt den Querschnitt und Fig. 7 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 3 mit zwei ange schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit gleicher Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3), wie die der Deh nungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Diese Metallschicht verringert aufgrund der großen Übergangs fläche die Nachteile von Metallhalbleiterübergängen, so daß eine stabile Offsetspannung für den Drucksensor existiert. Die Metallschicht bewirkt ferner ein Kurz schließen dieser Halbleiterschicht und somit eine Ver ringerung des Übergangswiderstandes zwischen den Deh nungsmeßstreifen untereinander und zu der äußeren Lei tungszuführung L, sowie eine Kräfteempfindlichkeitsver minderung in diesem Anschlußbereich.

Fig. 8 zeigt den Querschnitt und Fig. 9 die Drauf sicht eines Anschlußbereiches A 4 mit einer Verbreiterung der Halbleiterschicht, sowie zwei angeschlossenen Deh nungsmeßstreifen D. Die Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 10²⁰ cm^-3) im Anschlußbereich liegt höher als die Dotierungs rate Rl (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3) in den Dehnungsmeßstreifen. Der Metallhalbleiterübergang Ü zwischen der äußeren Leitungsführung L und dem Anschlußbereich liegt außer halb der Brückenschaltung.

Fig. 10 zeigt den Querschnitt und Fig. 11 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 5 mit zwei ange schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit gleicher Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3) wie die der Deh nungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Der An schlußbereich hat zusätzlich breitere Ausmaße wie die Dehnungsmeßstreifen. Die äußere Leitungszuführung L ist mit der Metallschicht M verbunden.

Fig. 12 zeigt den Querschnitt und Fig. 13 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 6 mit zwei ange schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit höherer Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 10²⁰ cm^-3) wie die Dotie rungsrate R 1 (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3) der Dehnungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Die äußere Leitungszufüh rung L ist mit der Metallschicht M verbunden.

Fig. 14 zeigt den Querschnitt und Fig. 15 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 7 mit zwei ange schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit höherer Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 10²⁰ cm^-3) wie die Dotie rungsrate R 1 (ca. 5 × 10¹⁸ cm^-3) der Dehnungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Der Anschlußbereich hat zusätzlich breitere Ausmaße wie die Dehnungsmeßstreifen. Die äußere Leitungszuführung ist mit der Metallschicht M verbunden.

Die Vorteile aus den Fig. 2 bis 6 gelten analog für die Fig. 7 bis 15.

Claims

1. Drucksensor bestehend

- aus einer durch Halbleitermaterial hergestellten Druckmembran (P);
- aus vier auf der Druckmembran integrierten, schwach dotierten und gegenseitig sich nicht berührenden Deh nungsmeßstreifen (D), die in Brückenschaltung geschaltet sind;
- aus außerhalb der Brückenschaltung angebrachten Leitungszuführungen (L);
- aus kräfteunempfindlichen Anschlußbereichen (A Φ), die die Dehnungsmeßstreifen (D) untereinander und mit den äußeren Leitungszuführungen (L) verbinden und aus minde stens einer Halbleiterschicht bestehen.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anschlußbereiche (A 3, A 5, A 6, A 7) aus einer Halbleiterschicht und einer darüber angeordneten, die Halbleiterbereiche kurzschließen den Metallschicht (M), bestehen.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche in den Anschlußbereichen (A 3, A 5) gleich hoch dotiert sind wie die Dehnungsmeßstreifen (D).

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) gleich breite Ausmaße haben wie die Dehnungsmeßstreifen (D).

5. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) breitere Ausmaße haben als die Dehnungsmeßstreifen (D).

6. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche der kräfteunempfindlichen Anschlußbereiche (A 6, A 7) hö her dotiert sind als die Dehnungsmeßstreifen (D).

7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) gleich breite Ausmaße haben wie die Dehnungsmeßstreifen (D).

8. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) breitere Ausmaße haben als die Dehnungsmeßstreifen (D).

9. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die kräfteunempfindlichen Anschlußbereiche (A 1, A 2, A 4) nur aus einer Halbleiter schicht bestehen.

10. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 2, A 4) höher dotiert ist als die Dehnungsmeßstreifen (D).

11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 2) gleich breite Ausmaße hat wie die Dehnungsmeßstreifen (D).

12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 4) breitere Ausmaße hat als die Dehnungsmeßstreifen (D).

13. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 1) gleich hoch dotiert ist und breitere Ausmaße hat als die Dehnungsmeßstreifen (D).