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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Halbleiterdrucksensor, welcher ein Diaphragma aufweist.
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Ein Halbleiterdrucksensor, welcher
ein Diaphragma aufweist (d.h. ein Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps)
enthält
ein Diaphragma und einen Verformungsmeßwiderstand. Sowohl das Diaphragma
als auch der Verformungsmeßwiderstand sind
zur Erfassung eines Drucks auf einem Halbleitersubstrat gebildet.
Das Substrat besitzt eine Hauptebene einer (110)-Kristallebene (d.h.
eine (110)-Ebene). Dieser Drucksensor wird beispielsweise in der
japanischen Veröffentlichungsschrift
der ungeprüften
Patentanmeldung Nr. 2001-356061 (entsprechend dem US-Patent Nr.
6,601,452) offenbart. Insbesondere ist das Diaphragma auf der Hauptebene
des Substrats gebildet und erfaßt
einen Druck. Der Verformungsmeßwiderstand
ist auf dem Diaphragma gebildet und bildet eine Brückenschaltung zur
Aufgabe eines erfaßten
Signals entsprechend einer Verformung des Diaphragmas.
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Dabei wird ein anderer Drucksensor,
welcher ein Paar von Mittenmeßwiderständen und
ein Paar von Seitenmeßwiderständen aufweist,
in der japanischen Veröffentlichungsschrift
der ungeprüften
Patentanmeldung Nr. H11-94666
(entsprechend dem US-Patent Nr. 6,595,065) offenbart. Bei diesem
Sensor sind die Verformungsmeßwiderstände, d.h.
die Mitten- und Seitenmeßwiderstände, auf
der (110)-Ebene des Substrats angeordnet. Die Mittenmeßwiderstände sind
auf dem Diaphragma in der Mitte und entlang einer <110>-Kristallachse (d.h.
einer <110>-Achse) angeordnet.
Die Seitenmeßwiderstände sind
auf dem Diaphragma am Rand angeordnet.
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Bei den obigen Sensoren ist eine
Glasbasis bzw. ein Glassockel (glas base) auf das Substrat unter
Anwendung eines anodischen Bondverfahrens und dergleichen gebondet.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats unterscheidet
sich von demjenigen des Glassockels. Wenn daher die Temperatur um
den Sensor herum sich ändert,
wird eine thermische Spannung zwischen dem Substrat und dem Glassockel
erzeugt. Die thermische Spannung kann das Diaphragma verformen,
so daß sich der
Widerstandswert jedes auf dem Diaphragma angeordneten Widerstands
proportional zu der Verformung ändert.
Die jedem Widerstand aufgebrachte thermische Spannung ist unterschiedlich,
da der Widerstand auf einer unterschiedlichen Position auf dem Diaphragma
angeordnet ist. Insbesondere unterscheidet sich die thermische Spannung,
welche jedem Mittenmeßwiderstand
aufgebracht wird, von der thermischen Spannung, welche jedem Seitenmeßwiderstand
aufgebracht wird. Somit liefert ein Unterschied zwischen der thermischen
Spannung, welche dem Mittenmeßwiderstand
aufgebracht wird, und der thermischen Spannung, welche dem Seitenmeßwiderstand
aufgebracht wird, einen Erfassungsfehler als Rauschen. Des weiteren ändert sich
der Unterschied der thermischen Spannung in Bezug auf die Temperatur
nichtlinear, so daß die
Temperaturabhängigkeit
eines Offsets der Ausgangsspannung in Bezug auf die Temperatur eine
bestimmte Krümmung aufweist.
Daher unterscheidet sich bei der Temperaturabhängigkeit des Offsets der Ausgangsspannung eine
Neigung des Offsets der Ausgangsspannung in Bezug auf die Temperatur
zwischen einer Raumtemperatur und einer bestimmten hohen Temperatur
von derjenigen zwischen einer bestimmten Temperatur und der Raumtemperatur.
Dieser Unterschied der Neigung wird als Charakteristik eines nichtlinearen Temperaturoffsets
(TNO: temperature nonlinearity offset) bezeichnet. Die TNO-Charakteristik
ist eine Charakteristik des Offsets der Ausgangsspannung, welche
einen nichtlinearen Bezug zu der Temperatur aufweist. Die TNO-Charakteristik
ist eine der wichtigsten Faktoren für die Bestimmung der Genauigkeit des
Sensors.
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Wenn des weiteren der Drucksensor
bezüglich
der Größe minimiert
wird, d.h., es wird das Substrat minimiert, wird in Betracht gezogen,
das Diaphragma zu minimieren. Der Grund dafür besteht darin, daß das Diaphragma
einen großen
Bereich in dem Sensor beansprucht. In diesem Fall wird der Unterschied
der thermischen Spannung zwischen den Mittenmeßwiderständen und den Seitenmeßwiderständen größer, so
daß der
Erfassungsfehler größer wird.
Somit wird dann, wenn das Diaphragma kleiner wird, die TNO-Charakteristik
schlechter, d.h., der Unterschied der Neigung wird größer. Daher
ist es schwierig, den Sensor zu minimieren, ohne daß eine Verschlechterung
der TNO-Charakteristik auftritt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten einen
Halbleiterdrucksensor zu schaffen, welcher eine hohe Erfassungsgenauigkeit
besitzt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch
die Merkmale des Anspruchs 1.
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Ein Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat,
welches ein Diaphragma zur Aufnahme eines Drucks aufweist, und eine
Brückenschaltung
zur Erfassung einer Verformung des Diaphragmas entsprechend dem
Druck. Die Brückenschaltung
enthält
ein Paar erster Meßwiderstände und
ein Paar zweiter Meßwiderstände. Die
ersten Meßwiderstände sind
auf dem Diaphragma in der Mitte angeordnet, und die zweiten Meßwiderstände sind
auf dem Diaphragma am Rand angeordnet. Jeder erste Meßwiderstand
besitzt einen ersten Widerstandswert, welcher größer als ein zweiter Widerstandswert von
jedem zweiten Meßwiderstand
ist.
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Obwohl bei dem obigen Sensor die
dem ersten Meßwiderstand
aufgebrachte thermische Spannung sich von derjenigen, welche dem
zweiten Meßwiderstand
aufgebracht wird, in einem Fall unterscheidet, bei welchem die thermische
Spannung dem Sensor aufgebracht wird, wird ein Erfassungsfehler
entsprechend dem Unterschied zwischen den thermischen Spannungen
durch Steuern der Widerstandswerte der Mitten- und Seitenmeßwiderstände kompensiert.
Daher besitzt der Sensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit.
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Vorzugsweise besitzt die Brückenschaltung ein
vorbestimmtes Verhältnis
des Widerstandswerts zwischen dem zweiten Widerstandswert und dem ersten
Widerstandswert, und das Diaphragma besitzt ein anderes vorbestimmtes
Verhältnis
der thermischen Spannung zwischen einer zweiten thermischen Spannung,
welche dem zweiten Meßwiderstand
aufzubringen ist, und einer ersten thermischen Spannung, welche
dem ersten Meßwiderstand
aufzubringen ist, in einem Fall, bei welchem eine thermische Spannung
dem Substrat aufgebracht wird. Das vorbestimmte Verhältnis des
Widerstandswerts ist gleich dem vorbestimmten Verhältnis der
thermischen Spannung.
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Vorzugsweise sind die ersten Meßwiderstände und
die zweiten Meßwiderstände derart
in Reihe miteinander verbunden, daß die Brückenschaltung eine wheatstonesche
Brücke
bildet. Jeder zweite Meßwiderstand
enthält
des weiteren einen dritten Meßwiderstand,
welcher einen dritten Widerstandswert aufweist und auf dem Diaphragma
am Rand angeordnet ist. Die zweiten und dritten Meßwiderstände sind
integriert in Reihe derart verbunden, daß die zweiten und dritten Meßwiderstände einen
Meßwiderstand
bilden. Der erste Widerstandswert ist gleich einem Ge samtwiderstandswert
der zweiten und dritten Widerstandswerte. In diesem Fall wird die TNO-Charakteristik
des Sensors derart verbessert, daß die Offsetspannung der Brückenschaltung
in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem Sensor
aufgebracht wird. Somit kann eine feine Widerstandswertänderung
entsprechend einem dem Sensor aufgebrachten feinen Druck derart
erfaßt werden,
daß der
Sensor eine viel höhere
Erfassungsgenauigkeit aufweist.
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Vorzugsweise wird das Halbleitersubstrat aus
einkristallinem Silizium gebildet, welches eine Hauptebene einer
(110)-Kristallebene besitzt. Der erste Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtung
entlang einer <110>-Kristallachse des
einkristallinen Siliziums, der zweite Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtung
entlang der <110>-Kristallachse des einkristallinen
Siliziums, und der dritte Meßwiderstand
besitzt eine Längsrichtung
entlang einer <100>-Kristallachse des
einkristallinen Siliziums. Vorzugsweise besitzt jeder Meßwiderstand
eine gefaltete Struktur eines Drahtwiderstands derart, daß der Drahtwiderstand
parallel zu der <110>-Kristallachse oder
zu der <100>-Kristallachse befindlich
ist, und das Diaphragma besitzt eine achteckige Form mit einem Paar
von Seiten entlang der <110>-Kristallachse, einem
Paar von Seiten entlang der <100>-Kristallseite und
vier Seiten zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Seite
entlang der <110>-Kristallachse und
der Seite entlang der <100>-Kristallachse.
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Vorzugsweise enthält der Sensor des weiteren
eine Austiefung bzw. Konkavität,
welche in dem Substrat angeordnet ist, um das Diaphragma vorzusehen;
und eine Glasbasis bzw. einen Glassockel (glass base), welcher auf
dem Substrat angeordnet ist. Die Meßwiderstände sind auf der ersten Oberfläche des
Substrats angeordnet, und der Glas sockel ist an der zweiten Oberfläche des
Substrats befestigt, um eine Kammer zwischen dem Glassockel und
der Austiefung zu bilden. Vorzugsweise ist die Kammer derart verschlossen,
daß der
Sensor einen Absolutdrucksensor bildet, und die Meßwiderstände sind
aus einem Diffusionswiderstand gebildete Verformungsmeßwiderstände.
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Die vorliegende Erfindung wird in
der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterdrucksensor einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 zeigt
eine Draufsicht, welche den Sensor der bevorzugten Ausführungsform
darstellt;
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3 zeigt
ein Schaltungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung des Sensors der
bevorzugten Ausführungsform
darstellt;
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4 zeigt
eine Draufsicht, welche einen Halbleitersensor entsprechend einer
Vergleichsanordnung der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
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5 zeigt
ein Schaltungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung des Sensors der
Vergleichsanordnung darstellt; und
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6A zeigt
eine Beziehung zwischen einer thermischen Spannung und einer Position
des Sensors der Vergleichsanordnung, und 6B zeigt eine Querschnittsansicht, welche
den Sensor des Vergleichs darstellt.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung
haben einleitend einen Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps
als Vergleich wie in 4 dargestellt studiert.
Der Drucksensor 200 enthält ein Halbleitersubstrat 10,
ein Diaphragma 30 und viele Verformungsmeßwiderstände 41-44.
Das Diaphragma 30 ist auf einer Hauptebene des Substrats 10 gebildet. Die
Widerstände 41-44 sind
auf dem Diaphragma 30 angeordnet. Die Hauptebene des Substrats 10 ist eine
(110)-Kristallebene (d.h. eine (110)-Ebene), welche eine Kristallebene
von einkristallinem Silizium ist, welches eine <110>-Kristallachse
(d.h. ein <110>-Achse) und eine <100>-Kristallachse (d.h. eine <100>-Achse) aufweist. Die <110>-Achse und die <100>-Achse bilden ein Paar
von Kristallachsen, welche einen rechten Winkel miteinander bilden,
d.h. die <110>-Achse ist senkrecht
zu der <100>-Achse ausgerichtet.
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Die Empfindlichkeit in einem Fall
einer entlang der <110>-Achse erzeugten Belastung
ist größer als
die Empfindlichkeit in einem Fall einer entlang der <100>-Achse erzeugten Belastung.
Es wird nämlich
die Belastung parallel zu der <110>-Achse empfindlich
im Vergleich mit der Belastung parallel zu der <100>-Achse
erfaßt.
Dies liegt daran, daß der
Koeffizient des piezoelektrischen Widerstandswerts entlang der <110>-Achse wesentlich größer als
derjenige entlang der <100>-Achse ist. Es wird
daher dann, wenn eine Verformung in dem Diaphragma mit der (110)-Ebene
derart gemessen wird, daß der
dem Diaphragma aufgebrachte Druck erfaßt wird, bevorzugt, daß die Verformung
unter Verwendung der Belastung entlang der <110>-Achse und nicht entlang der <100>-Achse gemessen wird.
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Die (110)-Ebene besitzt lediglich
eine <110>-Achse, d.h. eine <110>-Richtung. Es wird
daher verlangt, daß die
Widerstände 41-44 eine
in 4 dargestellte bestimmte
Anordnung dahingehend besitzen, daß das erfaßte Signal größer wird, d.h.,
daß das
Ausgangssignal entsprechend der Verformung größer wird. Die in 4 dargestellte Anordnung
ist derart bestimmt, daß die
Belastung entlang der <110>-Achse mit einer hohen
Empfindlichkeit im Vergleich mit der Belastung entlang der <100>-Achse erfaßt werden
kann. Insbesondere ist die Anordnung derart ausgebildet, daß ein Paar
von Mittenmeßwiderständen 41, 44 auf
dem Diaphragma nahezu in der Mitte angeordnet ist und ein Paar von
Seitenmeßwiderständen 42, 43 auf
dem Diaphragma 30 an dem Rand angeordnet ist. Jeder Widerstand 41-44 ist
hauptsächlich
entlang der <110>-Achse angeordnet.
Es sind dabei die Mittenmeßwiderstände 41, 44 nahe
der Mitte angeordnet, und es sind die Seitenmeßwiderstände 42, 43 an
dem Rand im Vergleich mit den Mittenmeßwiderständen 41, 44 angeordnet.
Eine Längsrichtung
des Widerstands 41-44 ist hauptsächlich parallel zu der <110>-Achse des Substrats 10 befindlich.
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Die vier Meßvorrichtungen bilden eine
Brückenschaltung
zur Erfassung der entlang der <110>-Achse gebildeten Belastung.
Insbesondere ist die Brückenschaltung
wie in 5 dargestellt
eine wheatstonesche Brücke.
Die wheatstonesche Brücke
enthält
die Widerstände 41-44.
Ein Mittenmeßwiderstand 41 besitzt
einen Widerstandswert RA, und der andere Mittenmeßwiderstand 44 besitzt
einen Widerstandswert RD. Ein Seitenmeßwiderstand 42 besitzt
einen Widerstandswert RB, und der andere Seitenmeßwiderstand 43 besitzt
einen Widerstandswert RC. Diese Widerstände 41-44 sind derart
in Reihe geschaltet, daß die
Widerstände
eine rechtwinklig geformte, geschlossene Schaltung bilden. Somit
ist die wheatstonesche Brücke
gebildet.
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In der Brückenschaltung sind als Paar
vorkommende Eingangsanschlüsse 45, 46 mit
der Brückenschaltung
derart verbunden, daß ein
elektrischer Gleichstrom der Brücken schaltung
aufgebracht wird. Der Gleichstrom I fließt zwischen den Anschlüssen 45, 46.
Wenn zu dieser Zeit das Diaphragma durch den Druck verformt wird, ändern sich
die Widerstandswerte RA, RB, RC, RD entsprechend der Verformung
des Diaphragmas 30. Daher wird ein Mittenwertpotential
(midpoint potential) Vout zwischen einem Paar von Ausgangsanschlüssen 47, 48 erzeugt. Das
Mittenwertpotential Vout entspricht der Verformung des Diaphragmas 30,
d.h. dem Druck, wobei ein erfaßtes
Signal als Mittenwertpotential Vout an den Ausgangsanschlüssen 47, 48 ausgegeben
wird.
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Bei dem obigen Sensor 200 wird
die dem Substrat 10, d.h. dem Diaphragma 30, aufgebrachte thermische
Spannung unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens (FEM,
finite element method) analysiert. Insbesondere wird die den Mitten- und
Seitenmeßwiderständen aufgebrachte
thermische Spannung berechnet. 6 stellt
ein Ergebnis einer Berechnung der thermischen Spannung σ2 auf dem
Substrat 10 dar. Die den Mittenmeßwiderständen 41, 44 aufgebrachte
thermische Spannung σ1, welche
auf dem Diaphragma 30 in der Mitte angeordnet sind, ist
kleiner als die den Seitenmeßwiderständen 42, 43,
welche auf dem Diaphragma 30 an dem Rand angeordnet sind,
aufgebrachte thermische Spannung σ2.
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Dabei ist die Widerstandswertänderung
des Widerstands 41-44 in Beziehung zu der thermischen Spannung
im wesentlichen proportional zu dem Widerstandswert des Widerstands 41-44.
Daher wird erwogen, daß die
Widerstandswerte RB, RC der Seitenmeßwiderstände 42, 43 auf
einen kleineren Wert festgesetzt werden, als die Widerstandswerte
RA, RD der Mittenmeßwiderstände 41, 44,
so daß die
Widerstandswertänderung
der Widerstände 42, 43 gleich
der Widerstandswertänderung
der Widerstände 41, 44 wird.
Somit wird die TNO-Charakteristik des Sensors 200 verbessert.
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Im Hinblick auf die obige Analyse
wird ein Halbleiterdrucksensor mit einem Diaphragma (d.h. ein Halbleiterdrucksensor
eines Diaphragmatyps) 100 einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wie in 1 und 2 dargestellt geschaffen.
Der Sensor 100 enthält
das Halbleitersubstrat 10, das Diaphragma 30 und
eine Glasbasis bzw. einen Glassockel 40. Das Diaphragma 30 ist
auf dem Substrat 10 gebildet. Das Substrat 10 ist
aus einkristallinem Silizium gebildet. Eine Vorderseitenoberfläche 12 des
Substrats 10 als Hauptebene besitzt die (110)-Kristallebene
(d.h. die (110)-Ebene). Eine Rückseitenoberfläche 11 des
Substrats besitzt ebenfalls die (110)-Ebene. Daher besitzen beide
Hauptebenen 11, 12 eine Planare Ausrichtung (110).
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Das Substrat 10 enthält eine
Austiefung bzw. Konkavität 20,
welche auf der Rückseitenoberfläche 11 angeordnet
ist. Die Austiefung 20 bildet das Diaphragma 30 zum Erfassen
eines darauf aufgebrachten Drucks. Insbesondere besitzt ein Teil
des Substrats 10, welches auf der Austiefung 20 angeordnet ist,
einen dünnen
Abschnitt derart, daß das
Diaphragma 30 gebildet ist. Viele Widerstände 41-44 sind
auf der Vorderseitenoberfläche 12 des
dünnen
Abschnitts, d.h. auf dem Diaphragma 30, angeordnet.
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Wie in 2 dargestellt
besitzt das Diaphragma 30 eine achteckige Form. Insbesondere
besitzt das Diaphragma 30 ein Paar von Seiten entlang der <110>-Achse und ein Paar
von Seiten entlang der <100>-Achse. Des weiteren
besitzt das Diaphragma 30 vier Seiten für eine Verbindung zwischen der
Seite entlang der <110>-Achse und der Seite
entlang der <100>-Achse.
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Die Verformungsmeßwiderstände 41-44 sind auf
der Vorderseitenoberfläche 12 des
Substrats 10 gebildet. Die Verformungsmeßwiderstände 41-44 liefern
die Brückenschaltung
zum Erfassen der Verformung des Diaphragmas 30 und zur
Ausgabe eines Erfassungssignals. Die Widerstände 41-44 sind
unter Verwendung eines Implantationsverfahrens, eines Diffusionsverfahrens
und dergleichen gebildete Diffusionsmeßwiderstände. Die Längsrichtung jedes Widerstands 41-44 ist
entlang der <110>-Achse des Substrats 10 gelegen.
Insbesondere besitzt der Widerstand 41-44 eine gefaltete
Struktur eines Drahtwiderstands. Die Längsrichtung des Drahtwiderstands ist
parallel zu der <110>-Richtung gelegen.
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Die Widerstände 41-44 setzen sich
zusammen aus einem Paar von Mittenmeßwiderständen 41, 44 und
einem Paar von Seitenmeßwiderständen 42, 43.
Die Mittenmeßwiderstände 41, 44 sind
auf dem Diaphragma 30 in der Mitte angeordnet, und die Seitenmeßwiderstände 42, 43 sind
auf dem Diaphragma 30 am Rand angeordnet. Jeder Seitenmeßwiderstand 42, 43 enthält den ersten
Meßwiderstand 42a, 43a und
den zweiten Meßwiderstand 42b, 43b. Die
Längsrichtung
des ersten Meßwiderstands 42a, 43a ist
entlang der <110>-Achse gelegen, und die Längsrichtung
des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b ist
entlang der <100>-Achse gelegen. Die
ersten und zweiten Meßwiderstände 42a, 42b, 43a, 43b sind
in Reihe miteinander verbunden.
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Die Widerstände 41-44 sind mit
einem (nicht dargestellten) Draht miteinander verbunden, welcher aus
einer Diffusionsschicht und dergleichen gebildet ist, so daß die Widerstände 41-44 wie
in 3 dargestellt eine
Brückenschaltung
bilden. Ein Mittenmeßwiderstand 41 besitzt
einen Widerstandswert RA, und der andere Mittenmeßwiderstand 44 besitzt einen
Widerstandswert RD. Der erste Meßwiderstand 42a des
einen Seitenmeßwiderstands 42 be sitzt
einen Widerstandswert RB1, und der zweite Widerstand 42b des
einen Seitenmeßwiderstands 42 besitzt
einen Widerstandswert RB2. Daher ergibt sich der Gesamtwiderstandswert
RB des einen Seitenmeßwiderstands 42 durch
RB1+RB2. Der erste Meßwiderstand 43a des
anderen Seitenmeßwiderstands 43 besitzt
einen Widerstandswert RC1, und der zweite Widerstand 43b des
anderen Seitenmeßwiderstands 43 besitzt
einen Widerstandswert RC2. Daher ergibt sich der Gesamtwiderstandswert
RC des anderen Seitenmeßwiderstands 43 zu RC1+RC2.
Diese Widerstände 41-44 sind
miteinander in Reihe derart verbunden, daß die Widerstände eine
rechtwinklig geformte geschlossene Schaltung bilden. Somit wird
die wheatstonesche Brücke
derart gebildet, daß die
entlang der <110>-Achse gebildete Spannung
durch die Brückenschaltung
erfaßt
wird.
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Bei den Seitenmeßwiderständen 42, 43 ist die
Längsrichtung
des ersten Meßwiderstands 42a, 43a entlang
der <110>-Achse des Substrats 10 derart
gelegen, daß der
erste Meßwiderstand 42a, 43a die
Belastung erfassen kann. Insbesondere wird der erste Meßwiderstand 42a, 43a zu
einem belastungsempfindlichen Meßwiderstand, welcher eine Empfindlichkeit
gegenüber
der Belastung, d.h. der Belastungsänderung, besitzt. Die Längsrichtung
des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b ist
entlang der <100>-Achse des Substrats 10 derart
angeordnet, daß der
zweite Meßwiderstand 42b, 43b die
Belastung im wesentlichen nicht erfassen kann. Insbesondere wird
der zweite Meßwiderstand 42b, 43b zu
einem belastungsunempfindlichen Meßwiderstand, welcher im wesentlichen
keine Empfindlichkeit gegenüber
der Belastungsänderung
besitzt.
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In der in 3 dargestellten Brückenschaltung sind in einem
Paar vorkommende Eingangsanschlüsse 45, 46 mit
der Brückenschaltung
derart verbunden, daß ein
Gleichstrom der Brückenschaltung aufgebracht
wird. Der Gleich strom I, d.h. der konstante Gleichstrom I, fließt zwischen
den Anschlüssen 45, 46.
Wenn zu dieser Zeit das Diaphragma 30 unter dem Druck verformt
wird, ändern
sich die Widerstandswerte RA, RB1, RC1, RD entsprechend der Verformung.
Daher wird das Mittenwertpotential Vout zwischen einem Paar von
Ausgangsanschlüssen 47, 48 erzeugt.
Das Mittenwertpotential Vout entspricht der Verformung des Diaphragmas 30,
d.h. dem Druck, derart, daß das
erfaßte
Signal als das Mittenwertpotential Vout an den Ausgangsanschlüssen 47, 48 ausgegeben
wird.
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Wie in 1 dargestellt
ist bei dem obigen Sensor 100 der Glassockel 40 auf
das Substrat 10 unter Verwendung des anodischen Bondverfahrens und
dergleichen gebondet. Insbesondere ist der Glassockel 40 auf
die Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 gebondet.
Bei dieser Ausführungsform ist
die Austiefung 20 mit dem Glassockel 40 derart verschlossen,
daß die
Austiefung 20 zu einer Bezugsdruckkammer für die Bereitstellung
des Bezugsdrucks wird. Somit bildet der Sensor 100 einen
Absolutdrucksensor.
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Obwohl die Austiefung 20 vollständig in
dem Sensor 100 verschlossen ist, kann der Sensor 100 ein
anderer Typ eines Drucksensors sein, welcher einen Druckeinfügungsdurchgang
für eine
Verbindung zwischen der Außenseite
und der Austiefung 20 enthält. In diesem Fall wird ein
Druck als Meßobjekt durch
den Durchgang in die Austiefung derart eingeführt, daß der Druck dem Diaphragma 30,
d.h. der Rückseitenoberfläche des
Diaphragmas 30, aufgebracht wird.
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Der Sensor 100 wird wie
folgt hergestellt. Das Substrat 10, welches die (110)-Ebene
als Hauptebene besitzt, wird vorbereitet. Sowohl die Vorderseitenoberfläche 12 als
auch die Rückseitenoberfläche 11 des
Substrats
10 liegt in der (110)-Ebene. Die Verformungsmeßwiderstände 41-44 und
verschiedene Arten von Drähten
werden auf der Vorderseitenoberfläche 12 des Substrats 10 unter
Verwendung eines Halbleiterherstellungsverfahrens wie des Ionenimplantierungsverfahrens
und des Diffusionsverfahrens gebildet. Dabei besitzen die in 2 dargestellten Seitenmeßwiderstände 42, 43 des
Sensors 100 unterschiedliche Strukturen, welche sich von
jenen des in 4 dargestellten
Sensors 200 unterscheiden. Es ist jedoch leicht, die Widerstände 42, 43 des in 2 dargestellten Sensors
unter Verwendung einer unterschiedlichen Maske im Falle des Ionenimplantierungsverfahrens
zu bilden. Insbesondere besitzt die Maske eine vorbestimmte Öffnung,
bei welcher die Struktur den Seitenmeßwiderständen 42, 43 entspricht,
welche die ersten bzw. zweiten Meßwiderstände 42a, 42b, 43a, 43b aufweisen.
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Danach wird eine (nicht dargestellte) Ätzmaske
zum Ätzen
der Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 auf
der Rückseitenoberfläche 11 gebildet.
Die Ätzmaske
enthält
eine Öffnung,
welche eine vorbestimmte Struktur entsprechend der Austiefung 20 besitzt.
Die Ätzmaske
wird aus einem Siliziumnitridfilm hergestellt, welcher unter Verwendung
des CVD-Verfahrens und dergleichen gebildet wird. Nachdem die Ätzmaske
auf der Rückseitenoberfläche 11 des
Substrats 10 gebildet worden ist, wird die Rückseitenoberfläche 11 derart
geätzt,
daß die
Austiefung 20 auf dem Substrat 10 gebildet wird.
Somit wird das Diaphragma 30 auf der Vorderseitenoberfläche 12 des
Substrats 10 gebildet. Die Rückseitenoberfläche 11 wird
mit einem anisotropen Ätzverfahren unter
Verwendung eines alkalischen Ätzmittels
(d.h. einer Ätzlösung) wie
einem KOH-Ätzmittel
(d.h. einer Kaliumhydroxidlösung)
und einem TMAH-Ätzmittel (d.h.
einer Tetramethylammoniumhydroxidlösung) geätzt.
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Somit ist das Substrat 10 fertiggestellt,
welches die Verformungsmeßwiderstände 41-44 und das
Diaphragma 30 aufweist. Danach wird die Ätzmaske
unter Verwendung eines Ätzverfahrens
und dergleichen entfernt. Danach wird der Glassockel 40 auf
das Substrat 10 unter Verwendung des anodischen Bondverfahrens
und dergleichen gebondet.
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Bei den Seitenmeßwiderständen 42, 43 wird der
erste Meßwiderstand 42a, 43a zu
dem belastungsunempfindlichen Meßwiderstand, welcher im wesentlichen
keine Empfindlichkeit gegenüber
der Belastungsänderung
aufweist. Jeder Widerstandswert RB1, RC1 der ersten Meßwiderstände 42a, 43a wird
auf einen kleineren Wert als den Widerstandswert RA, RD der Mittenmeßwiderstände 41, 44 festgelegt.
Daher ist das Ausgangssignal von dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 entsprechend
der großen thermischen
Spannung sogar dann nahezu gleich dem Ausgangssignal von dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 entsprechend
der kleinen thermischen Spannung, wenn die thermische Spannung dem
Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebracht
wird, welche größer als
diejenige ist, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebracht
wird. D.h., der Unterschied zwischen der thermischen Spannung, welche
dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebracht
wird, und der thermischen Spannung, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebracht
wird, wird im wesentlichen durch Steuern der Widerstandswerte RA,
RB1, RC1, RD kompensiert.
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Beispielsweise ist eine Längsseite
(d.h. eine Länge)
L des Diaphragmas 30 gleich einer Querseite (d.h. einer
Breite) L des Diaphragmas 30 wie in 1 dargestellt. Die Länge L und die Breite L betragen
jeweils 450 μm.
In diesem Fall beträgt
die thermische Spannung σ1,
welche an den Mittenmeßwiderstand 41, 44 angelegt
wird, etwa 70% der thermischen Spannung σ2, welche an den Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt
wird. Dieses Ergebnis wurde von den Erfindern unter Verwendung des
FEM wie in 6 dargestellt
erzielt. Daher wird der Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a auf 70%
des Widerstandswerts RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44 festgelegt.
D.h., es gilt RB1 = RC1 = 0,7 × RD = 0,7 × R und
RB2 = RC2 = 0,3 × RA
= 0,3 × RD
= 0,3 × R.
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Im allgemeinen ist die Widerstandswertänderung
des Verformungsmeßwiderstands
entsprechend der thermischen Spannung proportional zu dem Widerstandswert
des Widerstands. Daher ist die Widerstandswertänderung des Seitenmeßwiderstands 42, 43 nahezu
gleich derjenigen des Mittenmeßwiderstands 41, 44,
wenn die thermische Spannung dem Sensor 100 aufgebracht
wird.
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Im allgemeinen wird der Widerstandswert des
Mittenmeßwiderstands
gleich demjenigen des Seitenmeßwiderstands
festgelegt, so daß vier
Widerstände,
welche die Brückenschaltung
bilden, nahezu gleich sind, so daß die Offsetspannung der Brückenschaltung
leicht in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem
Sensor aufgebracht wird (d.h., der aufgebrachte Druck ist gleich
Null). Daher kann eine feine Widerstandswertänderung entsprechend einem
feinen Druck, welcher dem Sensor aufgebracht wird, erfaßt werden.
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Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte Widerstandswert
RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43,
welcher sich zusammensetzt aus dem Widerstandswert RB1, RC1 des
ersten Meßwiderstands 42a, 43a und
dem Widerstandswert RB2, RC2 des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b,
gleich dem Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44.
Demgegenüber
wird der gesamte Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43 in
den Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a und
in den Widerstandswert RB2, RC2 des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b unterteilt.
Der Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a wird
kleiner als der Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44.
Insbesondere ist der gesamte Widerstandswert (d.h. 0,7 × R + 0,3 × R) des
Seitenmeßwiderstands 42, 43 gleich
dem Widerstandswert (d.h. R) des Mittenmeßwiderstands 41, 44).
D.h., es gilt RB1 + RB2 = RC1 + RC2 = RA = RD. Daher sind die Widerstandswerte
RA, RB, RC, RD der vier Widerstände 41-44,
welche die Brückenschaltung
bilden, im wesentlichen gleich, d.h. R, so daß die Offsetspannung der Brückenschaltung
leicht in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem
Sensor aufgebracht wird (d.h. bei welchem der aufgebrachte Druck
gleich Null ist). Daher kann eine feine Widerstandsänderung
entsprechend einem feinen Druck, welcher dem Sensor aufgebracht
wird, erfaßt
werden. Wenn demgegenüber
der Sensor 100 nicht die zweiten Meßwiderstände 42b, 43b enthält, wird
der Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43 unterschiedlich
zu dem Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44.
Daher wird die Offsetspannung des Sensors 100 in einem
Fall groß, bei
welchem der Druck gleich Null ist, so daß die Offsetspannung durch
eine Signalprozessorschaltung nicht kompensiert wird.
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Obwohl die thermische Spannung σ1, welche
an den Mittenmeßwiderstand 41, 44 angelegt wird,
etwa 70% der thermischen Spannung σ2, welche an den Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt wird,
bei diesem Sensor 100 beträgt, kann das Verhältnis der
thermischen Spannung, welche zwischen dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 und
dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt
wird, unterschiedlich werden, wenn die Dimensionen des Diaphragmas 30,
die Form des Diaphragmas 30, die Dimensionen der Widerstände 41-44 und/oder
die Form der Widerstände 41-44 unterschiedlich ist.
Daher ist es notwendig, das Verhältnis
der thermischen Spannung in jedem Sensor, welcher ein unterschiedliches
Diaphragma und/oder unterschiedliche Verformungsmeßwiderstände aufweist,
unter Verwendung der FEM-Analyse zu berechnen. D.h., es ist notwendig, das
Verhältnis
des Widerstandswerts RB1, RC1 und des Widerstandswerts RA, RD unter
Verwendung der FEM-Analyse in einem Fall zu berechnen, bei welchem
ein Sensor eine unterschiedliche Konstruktion aufweist, die sich
von derjenigen des in 2 dargestellten
Sensors 100 unterscheidet. Obwohl bei dem obigen: Sensor 100 die
thermische Spannung σ1, welche
dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebracht
wird, sich von der thermischen Spannung σ2 unterscheidet, welche dem
Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebracht
wird, ist die Widerstandswertänderung
des Mittenmeßwiderstands 41, 44 im
wesentlichen an die Widerstandswertänderung des Seitenmeßwiderstands 42, 43 angeglichen.
Somit ist die TNO-Charakteristik des Sensors 100 verbessert.
Daher besitzt der Drucksensor 100 sogar dann eine hohe
Erfassungsgenauigkeit, wenn der Sensor 100 minimiert ist.
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Derartige Änderungen und Modifizierungen werden
als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, welche
durch die beigefügten Ansprüche definiert
wird.
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Vorstehend wurde ein Halbleiterdrucksensor mit
einem Diaphragma offenbart. Der Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat
(10), welches ein Diaphragma (30) zur Aufnahme
eines Drucks und eine Brückenschaltung
zum Erfassen einer Verformung des Diaphragmas (30) entsprechend dem
Druck aufweist. Die Brückenschaltung
enthält ein
Paar erster Meßwiderstände (41, 44)
und ein Paar zweiter Meßwiderstände (42a, 43a).
Die ersten Meßwiderstände (41, 44)
sind auf dem Diaphragma (30) in der Mitte angeordnet, und
die zweiten Meßwiderstände (42a, 43a)
sind auf dem Diaphragma (30) am Rand angeordnet. Jeder erste
Meßwiderstand (41, 44)
besitzt einen ersten Widerstandswert (Ra, Rd), welcher größer als
ein zweiter Widerstandswert (Rb1, Rc1) jedes zweiten Meßwiderstands
(42a, 43a) ist. Die TNO-Charakteristik des Sensors
ist derart verbessert, daß der
Sensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit besitzt.