DE3003450A1

DE3003450A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE3003450A1
Application number: DE19803003450
Authority: DE
Inventors: Teruyoshi Mihara; Takeshi Oguro; Masami Takeuchi; Tamotsu Tominaga
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-02-02
Filing date: 1980-01-31
Publication date: 1980-08-07
Also published as: DE3003450C3; DE3003450B2; JPS55112864U; FR2448140A1; FR2448140B1; GB2042257A; US4314226A

Description

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER NlSSail BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Drucksensor, der eine Halbleitermembran aufweist, auf der sich ein diffundierter Widerstand als druckempfindliches Element befindet und der unter Ausnutzung des Piezowiderstands-Effektes arbeitet.

Es sind verschiedene Halbleiter-Drucksensoren bekannt, bei denen ein Halbleiter-Material die Sensoren bildet, wie es in Fig. 1,2 und 3 der beigefügten Zeichnung dargestellt ist, auf die hier bereits bezug genommen wird. Diese mit 10 bezeichneten Drucksensoren umfassen einen Silikon-Membranblock 12, der sich zusammensetzt aus einer Membran 14 und einem umlaufenden Stützring 16 am Rande der Membran und der aus einem Silikon-Chip unter Verwendung herkömmlicher Ätzverfahren hergestellt worden ist. Die Membran 14 weist diffundierte Widerstände 18 auf, die als druckempfindliche Elemente auf der vorderen Oberfläche 14a ausgebildet sind. Die gegenüberliegende, rückwärtige Oberfläche 14b der Membran 14, die durch Ätzen vertieft ist, wird dem zu messenden Fluiddruck ausgesetzt.

Ein typischer Halbleiter-Drucksensor 10 gemäß Fig. 1 umfaßt eine Aluminium-Grundplatte 20, mit der der Membranblock 12 mit Hilfe eines Klebstoffs 22 oder dgl. verbunden ist, so daß die vordere Oberfläche 14a, auf der sich die Widerstände 18 befinden, einer Unterdruckkammer 24 innerhalb eines Gehäuses 25 zugewandt ist, das durch die Grundplatte 20 und eine Kappe 26 gebildet wird, die dicht auf der Grundplatte 20 befestigt ist und den Membranblock 12 abdeckt. Ein zu messender Fluiddruck gelangt durch ein Einlaßrohr 28, das mit der Grundplatte 20 verbunden ist, und eine Bohrung 3,0 ^in,-, der Grundplatte 20 zur rückwärtigen

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Oberfläche 14b der Membran 14.

Ein Halbleiter-Drucksensor gemäß Fig. 2 umfaßt einen Silikon-Membranblock 12 und eine Silikon-Grundplatte 32, die gemeinsam eine Unterdruckkammer 34 bilden. In diesem Falle weisen der Membranblock 12 und die Grundplatte 32 denselben linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, so daß thermische Spannungen verhindert werden, die andernfalls in der Membran 14 zwischen dieser und der Grundplatte 20 entstehen könnten, wenn die Grundplatte 20 aus einem anderen Material als der Membranblock 12 bestehen würde.

Die Grundplatte 32 ist in ihrem Mittelpunkt an der Grundplatte 20 durch einen geeigneten Klebstoff 36 befestigt. Ein zu messendes Fluid wird durch das Einlaßrohr 28, die Bohrung 30 in der Grundplatte 20 und die Innenseite der Kappe 26 zugeführt und gelangt an die vordere Oberfläche 14a der Membran 14.

Ein Drucksensor gemäß Fig. 3 ist in gleicher Weise aufgebaut wie die Drucksensor der Fig. 1, ausgenommen daß die Kappe 26 eine Bohrung 38 aufnimmt und mit einem Einlaßrohr 40 in Verlängerung der Bohrung verbunden ist. Es gelangen daher zwei Fluiddrücke durch das Einlaßrohr 28 und die Bohrung 30 einerseits und durch das Einlaßrohr 40 und die Bohrung 38 andererseits zu gegenüberliegenden Oberflächen 14b und 14a der Membran 14, so daß die Differenz zwischen zwei Drücken ermittelt werden kann.

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch einen druckempfindlichen Silikon-Membranblock, wie er bei einem bekannten Drucksensor gemäß Fig. 1 bis 3 verwendet wird. Bei dem dargestellten Beispiel weist der Membranblock 12 eine Silikon-Grundplatte 140 des η-Typs auf, die auf einer Oberfläche mit diffundierten Widerständen 18 versehen ist, die p-Störstellen enthalten. Ein Siliziumdioxid-Film 142 ist auf der Grundplatte 140 und auf den diffundierten

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Widerständen 18 ausgebildet, und an dem Film 142 sind Aluminium-Leiter 144 befestigt und elektrisch mit den Widerständen 8 verbunden. Wenn der Membranblock nicht in ein Gehäuse eingesetzt wird, so daß die Oberfläche der Membran, auf der sich die diffundierten Widerstände befinden, einem Unterdruck im Inneren des Gehäuses gegenüberliegt, ergeben sich keine Probleme hinsichtlich einer Zerstörung der Widerstände. Wenn jedoch die diffundierten Widerstände auf der Membran einem zu messenden Fluid ausgesetzt sind, wie es in Fig. 2 und 3 gezeigt ist und wie es notwendig sein kann zur Herstellung von Anschlüssen der Widerstände 18 oder zur Messung eines Differentialdruckes, ist die Anbringung des Siliziumdioxid-Films 142 auf den diffundierten Widerständen 18 unzureichend zur Verhinderung einer äußeren Thermeation von Feuchtigkeit und Störionen (insbesondere Natriumionen), die in dem zu messenden Fluid enhalten sein können und zwischen die diffundierten Widerstände 18 und den Film 142 gelangen können. Dies würde dazu führen, daß die elektrischen Charakteristika der Siliziumschicht in bekannter Weise instabil würden. Die Widerstände können durch Feuchtigkeit und korrosive Gase oder dgl. im übrigen zerstört werden, so daß sich die Ausgangscharakteristika des Sensors ebenfalls ändern würden.

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Die Erfindung ist darauf gerichtet, einen Halbleiter-Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, durch den ausgeschlossen wird, daß diffundierte Widerstände, die auf der Membran ausgebildet sind, durch Berührung mit den zu messenden Fluiden zerstört werden.

Im übrigen soll ein Halbleiter-Drucksensor geschaffen werden, der eine thermisch stabile mechanische Festigkeit aufweist.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

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— D —

Fig. 1,2 und 3 sind Schnittdarstellungen unterschiedlicher bekannter Halbleiter-Drucksensoren;

Fig. 4 ist ein Querschnitt eines Membranblocks für Sensoren gemäß Fig. 1 bis 3;

Fig. 5 ist ein Querschnitt ähnlich Fig. 4 und zeigt eine Ausführungsform eines

Membranblocks gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ist eine abgewandelte Ausführungsform des Membranblocks der Fig. 5.

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Der Membranblock 12 gemäß Fig. 5 ist zur Unterbringung in einem nicht gezeigten Gehäuse vorgesehen, wie es in Fig. 1 bis 3 unter Bezugsziffer 25 dargestellt ist. Der Membranblock 12 weist eine Silizium-Grundplatte 140 des n-Typs auf, auf der sich diffundierte Widerstände 18 des p-Typs befinden, die in einem Teilbereich, insbesondere im Mittelber-eich der Grundplatte 140 ausgebildet sind. Diffundierte Leiter 146 (P) sind elektrisch mit den Widerständen 18 verbunden und ebenfalls auf der flachen Oberfläche der Grundplatte 140 ausgebildet. Eine Schutzschicht einschließlich einer epitaxialen Silizium-Schicht 148 befindet sich auf der Silizium-Grundplatte 140 und weist ein gegenüber den Widerständen 18 entgegengesetztes Leitverhalten (z.B. η-Typ) auf. Die Schicht 148 deckt die Widerstände 18 und die diffundierten Leiter 146 ab. Eine elektrisch isolierende Schicht 150 aus Siliziumdioxid befindet sich auf der Schicht 148. Verbindungen, die aus kleinen diffundierten Flächen 152 (p ) bestehen, verbinden die diffundierten Leiter 146 durch die epitaxiale Schicht 148 mit Aluminium-Verbindungen oder -Leitern 154, die auf der Siliziumdioxid-Schicht 150 angebracht und elektrisch mit den diffundierten Flächen 152 durch die Schicht

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150 hindurch verbunden sind. Die epitaxiale Silizium-Schicht 148 des η-Typs ist isoliert durch einen pn-übergang gegenüber den diffundierten Widerständen 18 (p-Typ), den diffundierten Leitern 146 (p -Typ) und den diffundierten Flächen 152 (p -Typ) . Wenige μΐη Dicke reichen für die epitaxiale Schicht 148. aus. Wie oben erwähnt wurde, ist die Silizium-Grundplatte mit einer rückwärtigen Oberfläche 14b versehen, die durch Ätzen ausgespart ist und dem zu messenden Fluiddruck ausgesetzt ist.

In Fig. 6 ist eine Abwandlung des Membranblocks 12 gemäß Fig. 5 gezeigt. In Abweichung von Fig. 5 sind Aluminium-Elektroden 156 in Bohrungen in der Schicht 150 und der epitaxialen Schicht 148 vorgesehen und elektrisch mit den diffundierten Leitern 146 (p ) und den Aluminium-Leitern 154 verbunden. Sodann wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, so daß Teile der Aluminium-Elektroden 156 in die epitaxiale Silizium-Schicht 148 diffundieren und diffundierte Flächen 158 des p-Typs bilden, die wiederum pn-Ubergänge mit der epitaxialen Silizium-Schicht 148 des η-Typs bilden und damit gegenüber dieser isoliert sind.

Die Membranblöcke gemäß Fig. 5 und 6 können als Teile von konstruktiv unterschiedlichen Drucksensoren verwendet werden. Diese Membranblöcke haben den Vorteil, daß beide Oberflächen einem Fluid ausgesetzt werden können, dessen Druck gemessen werden soll, sofern dies erwünscht ist, um die thermischen Charakteristika des Drucksensors zu verbessern oder einen Differentialdruck zu messen, wie es insbesondere in Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

In den dargestellten Beispielen wird davon ausgegangen, daß die diffundierten Widerstände mit einer epitaxialen Silizium-Schicht überzogen sind, die fein texturiert und chemisch stabil ist, so daß sie zuverlässig verhindert, daß die diffundierten Widerstände zerstört werden. Die Ver-

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Wendung der epitaxialen Silizium-Schicht als Schutzschicht für diffundierte Widerstände dient dazu, das Auftreten thermischer Spannungen in der Silizium-Membran zu verhindern, da die epitaxiale Silizium-Schicht im wesentlichen denselben linearen Ausdehnungskoeffizienten wie die Membran aufweist.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die Silizium-Grundplatte 140 und die epitaxiale Schicht 148 dem n-Typ und die diffundierten Widerstände 18, die diffundierten Leiter 146 und die übergänge und Anschlüsse 152 dem p-Typ und dem ρ -Typ zugeordnet worden. Andererseits können jedoch die Grundplatte 140 und die epitaxiale Schicht 148 dem p-Typ angehören. In diesem Falle sollten die diffundierten Widerstände 18, die diffundierten Leiter 146 und die Anschlüsse 152 dem η-Typ angehören.

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Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEiNMEIST

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatlvas before the European Patent Office - Mandatalres agrees pres !'Office curopeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

Dipl.-lng. F. E. Müller siekerwall 7

Triftstrasse 4, biekerwail/,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD

WG 9209/277(3)/SH
St/ri

3 f. Jan.

NISSAN MOTOR CO., LTD.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama-shi, Kanagawa-ken,

Japan

DRUCKSENSOR

PRIORITÄT: 2. Februar 1979, Japan, No. 54-11583 (Gbm)

PATENTANSPRÜCHE

1J Drucksensor mit einem einen hohlen Innenraum aufweisenden Gehäuse, einem Membranblock aus Silizium, der innerhalb des Innenraums des Gehäuses festgelegt ist und eine Membran trägt, welche Membran eine Grundplatte und diffundierte Widerstände auf einer Oberfläche der Grundplatte als druckempfindliche Elemente umfaßt, einer öffnung in dem Gehäuse zur Einleitung eines zu messenden Fluids zu der Membran und einer Anzahl von elektrischen Leitern in Verbindung mit den dif-

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fundierten Widerständen, dadurch gekennzeichnet, daß die diffundierten Widerstände (18) durch eine Schutzschicht (148) überzogen sind, deren Leitverhalten demjenigen der Widerstände entgegengesetzt ist. 5
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η z.e ichnet, daß die Schutzschicht (148) im wesentlichen denselben thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie die Grundplatte (140) aufweist.

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3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht eine epitaxiale Silizium-Schicht (148) umfaßt.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Leitern (146) eine innere, diffundierte Schicht mit dem Leitverhalten der diffundierten Widerstände (18) umfaßt und zwischen der Grundplatte (140) und der Schutzschicht (148) angeordnet ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Membran (14) eine elektrisch isolierende Schicht (150) auf der Schutzschicht (148) trägt, und daß die Leiter (146) Anschlüsse (154) an der äußeren Oberfläche der isolierende Schicht (150) umfassen, die über eine Anzahl von Übergängen (152,156) mit den Leitern (146) verbunden sind.
6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die übergänge (152) als diffundierte Schichten ausgebildet sind.
7. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Übergänge Aluminium-Elektroden (156) sind.

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