DE10203631A1

DE10203631A1 - Halbleitersensor für eine dynamische Grösse

Info

Publication number: DE10203631A1
Application number: DE10203631A
Authority: DE
Inventors: Shinji Yoshihara; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-01-31
Filing date: 2002-01-30
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: US6658948B2; JP4843877B2; FR2820201B1; FR2820201A1; JP2002373991A; US20020100948A1; DE10203631B4

Abstract

Eine Brückenschaltung enthält vier Meßwiderstände. Jeder Meßwiderstand ist in zwei Teilmeßwiderstände geteilt. Es liegt eine Verbindung von Teilmeßwiderständen vor. Die Verbindungspunkte zwischen Teilmeßwiderständen, welche dasselbe Potential ausgeben, wenn kein Druck aufgebracht wird, werden zur Diagnose verwendet. Vier Meßwiderstände der acht Meßwiderstände sind nahe der Mitte des Diaphragmas 14 angeordnet, und die anderen vier Teilwiderstand sind nahe dem Umfangsrandabschnitt des Diaphragmas 14 angeordnet, um die Spannungsverteilung gleichförmig zu machen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleitersensor zum Erfassen einer dynamischen Größe.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Es sind Halbleitersensoren für eine dynamische Größe bekannt, welche eine Meßwiderstandsbrücke auf einem Halbleiterdiaphragma zum Erfassen einer dynamischen Größe wie einem Druck oder einer Beschleunigung enthalten. Das Diaphragma wird durch die Aufbringung einer dynamischen Größe gebogen. Dies erzeugt eine Spannungsverteilung über dem Diaphragma. Einige Meßwiderstände empfangen eine Zugspannung und die anderen empfangen eine Druckspannung. Dies ändert die Widerstandswerte dieser Meßwiderstände, so daß die Brücke ein Erfassungssignal einer dynamischen Größe ausgibt. Darüber hinaus ist ebenfalls ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe bekannt, welcher eine Testfunktion besitzt. Die provisorische Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 10-506718 (DE 195 27 687, EP 0783677) offenbart einen derartigen Halbleitersensor für eine dynamische Größe. Darin wird folgendes offenbart:
Ein testbarer und in hohem Maße verfügbarer Sensor besitzt eine Meßmembran, welche die Widerstände von zwei unterschiedlichen Vollbrücken trägt. Auf der rechten Hälfte werden radiale Pressungen und Dehnungen verwendet. Auf der linken Hälfte werden radiale Pressungen, jedoch tangentiale Dehnungen verwendet. Alterungsphänomene beeinflussen die Empfindlichkeit von beiden Vollbrücken in unterschiedlichem Ausmaß, so daß der Sensor während des Betriebs ohne irgendwelche besonderen Bezugsmessungen getestet werden kann. Zusätzlich kann eine Vollbrücke in einem Notfall verwendet werden, bei welchem die andere Vollbrücke zusammenbricht.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 3049532 offenbart einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe mit einer Diagnosefunktion. Es wird das folgende offenbart:
Um eine Änderung der anfänglichen charakteristischen Sensorwerte zu erfassen, sind erste und zweite Brücken, welche jeweils vier Meßwiderstände aufweisen, parallel angeschlossen. Die Ausgangssignale von diesen Brücken werden miteinander verglichen. Das Überwachen einer Änderung des Ausgangssignals liefert die Diagnose.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen überragenden Sensor für eine dynamische Größe bereitzustellen.
Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe bereitgestellt mit: einem Diaphragma, welches entsprechend einem Aufbringen einer dynamischen Größe mit einer Spannungsverteilung über wenigstens das Diaphragma elastisch deformiert wird; und einer Brückenschaltung, welche vier Meßwiderstände in dem Diaphragma enthält, wobei Widerstandswerte der Meßwiderstände sich auf der Grundlage von Spannungen infolge der Spannungsverteilung jeweils ändern, wobei die Brückenschaltung erste und zweite Potentialeingänge und zwei Ausgänge an Zwischenverbindungspunkten zwischen den ersten und zweiten Eingängen aufweist, wobei jeder der vier Meßwiderstände eine Mehrzahl von Teilmeßwiderständen enthält, welche in erste und zweite Gruppen unterteilt sind, wobei die erste Gruppe der Teilmeßwiderstände an einem ersten Ort nahe der Mitte des Diaphragmas derart angeordnet ist, daß die Teilmeßwiderstände der ersten Gruppe Spannungen infolge der Spannungsverteilung aufnehmen, wobei die Größen der Spannungen gleichförmig zueinander sind, und die zweite Gruppe der Teilmeßwiderstände nahe einem Umfangsrand des Diaphragmas derart angeordnet ist, daß die Teilmeßwiderstände der zweiten Gruppe die Spannungen infolge der Spannungsverteilung aufnehmen, wobei die Größen der Spannungen gleichförmig zueinander sind.
Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des ersten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei ein erster Verbindungspunkt eines ersten Paars der Teilmeßwiderstände in einem Meßwiderstand, welcher ein erstes Potential ausgibt, und ein zweiter Verbindungspunkt eines zweiten Paars der Teilmeßwiderstände in einem anderen Meßwiderstand, welcher ein zweites Potential ausgibt, einen Diagnoseausgang bereitstellen, wobei das erste Potential im wesentlichen gleich dem zweiten Potential ist, wenn die dynamische Größe nicht dem Diaphragma aufgebracht wird.
Entsprechend einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des ersten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei das Halbleitersubstrat einen Trageabschnitt aufweist und das Diaphragma und der Trageabschnitt derart gebildet sind, daß die Spannung infolge der Spannungsverteilung an der Mitte des Diaphragmas am größten ist und sich im wesentlichen koaxial von der Mitte aus auf den Umfangsrand des Diaphragmas zu verringert.
Entsprechend einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des dritten. Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei das Diaphragma die Form eines Quadrats bzw. Vierecks besitzt.
Entsprechend einem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des dritten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei das Diaphragma die Form eines Kreises besitzt.
Entsprechend einem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des zweiten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei unter der Annahme, daß erste und zweite Achsen sich in der Mitte des Diaphragmas auf einer oberen Oberfläche des Diaphragmas senkrecht schneiden, die Teilmeßwiderstände der ersten Gruppe punktsymmetrisch an unterschiedlichen vier Quadranten, welche durch die ersten und zweiten Achsen definiert sind, jeweils angeordnet sind und die Teilmeßwiderstände der zweiten Gruppe punktsymmetrisch an unterschiedlichen der vier Quadranten angeordnet sind.
Entsprechend einem siebenten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des ersten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei alle Teilmeßwiderstände denselben Widerstandswert besitzen.
Entsprechend einem achten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des ersten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei die Brückenschaltung des weiteren zwei Verdrahtungsstrukturen für eine Verbindung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Teilmeßwiderständen aufweist, wobei unter der Annahme, daß die Brückenschaltung die Teilmeßwiderstände enthält und die Verdrahtungsstrukturen in einem äquivalenten Schaltungsdiagramm symmetrisch dargestellt sind, jedes Paar der Verdrahtungsstrukturen, welche an liniensymmetrischen Positionen bezüglich einer Linie zwischen den Zwischenverbindungspunkten auf dem äquivalenten Schaltungsdiagramm angeordnet sind, denselben Verdrahtungswiderstandswert zueinander besitzt.
Entsprechend einem neunten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des achten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei jedes Paar der Teilmeßwiderstände, welche an liniensymmetrischen Positionen bezüglich einer Linie zwischen den ersten und zweiten Eingangspunkten auf dem äquivalenten Schaltungsdiagramm der Brückenschaltung angeordnet sind, denselben Verdrahtungswiderstandswert zueinander besitzt.
Entsprechend einem zehnten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des ersten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei jedes Paar der Verdrahtungsstrukturen rechteckige Formen mit demselben Verhältnis zwischen unterschiedlichen Seiten der rechteckigen Strukturen besitzt.
Entsprechend einem elften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des achten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei die Verdrahtungsstrukturen denselben Verdrahtungswiderstandswert besitzen.
Entsprechend einem zwölften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des achten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei die Verdrahtungsstrukturen dieselben rechteckigen Formen mit demselben Verhältnis zwischen unterschiedlichen Seiten der rechteckigen Formen besitzen.
Entsprechend einem dreizehnten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des achten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei wenigstens eine Verdrahtungsstruktur eine Widerstandswerttrimmeinrichtung mit einer in der Verdrahtungsstruktur gebildeten Kerbe zum Trimmen des Verdrahtungswiderstands der Verdrahtungsstruktur enthält.
Entsprechend einem vierzehnten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Halbleitersensor für eine dynamische Größe auf der Grundlage des dreizehnten Gesichtspunkts bereitgestellt, wobei jeder der Teilmeßwiderstände gerade Blöcke, welche sich in eine erste Richtung erstrecken, und Wendungsabschnitte aufweist, welche die geraden Blöcke in Reihe verbinden, wobei die Kerbe eine rechteckige Form aufweist und eine Längsrichtung der rechteckigen Form der Kerbe in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung befindlich ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Aufgabe und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Figuren ersichtlich, wobei:
Fig. 1 eine Draufsicht auf den Halbleiterdrucksensor einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine vergrößerte Seitenquerschnittsansicht entlang Linie Z-Z von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des Drucksensors dieser Ausführungsform zeigt;
Fig. 4 eine Veranschaulichung dieser Ausführungsform zeigt, welche eine Spannungsverteilung in dem Diaphragma veranschaulicht, wobei das Diaphragma elastisch deformiert ist;
Fig. 5 eine graphische Darstellung dieser Ausführungsform zeigt, welche eine Beziehung der Änderungen der differenziellen Ausgänge Vout1 und Vout2 in der Brückenschaltung veranschaulicht;
Fig. 6 eine Draufsicht auf das in Fig. 1 dargestellte Diaphragma zeigt;
Fig. 7 eine modifizierte Anordnung der Meßwiderstände dieser Erfindung zeigt;
Fig. 8 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der in Fig. 7 dargestellten Brückenschaltung zeigt;
Fig. 9 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm eines aus der in Fig. 3 dargestellten Struktur erlangten modifizierten Beispiels zeigt, wobei das Verhältnis des Widerstandswerts zwischen den Teilmeßwiderständen an derselben Seite der Brückenschaltung 1 : 2 beträgt;
Fig. 10 eine vergrößerte Draufsicht auf eine in Fig. 1 dargestellte Schaltungsstrukur zeigt;
Fig. 11 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der Brückenschaltung zeigt, welches den Verdrahtungswiderstand in der Brückenschaltung von Fig. 3 genauer darstellt;
Fig. 12 eine Draufsicht zeigt, welche den halben Abschnitt der in Fig. 10 dargestellten Brückenschaltung veranschaulicht;
Fig. 13 eine Draufsicht zeigt, welche eine Modifizierung für eine weitere Verringerung der Offset-Spannung veranschaulicht; und
Fig. 14 eine Draufsicht auf einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Erfindung zeigt, dessen Offset-Spannung verringert ist.
Dieselben oder entsprechende Teile werden in den Figuren mit ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Halbleitersensor für eine dynamische Größe dieser Erfindung unterdrückt eine Veränderung der Empfindlichkeit infolge einer Positionsabweichung der Meßwiderstände und verringert die Offset-Spannung. Ein Halbleiterdrucksensor wird bezüglich der folgenden Ausführungsform als Halbleitersensor für eine dynamische Größe erläutert.

AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf den Halbleiterdrucksensor S1 dieser Ausführungsform. Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht entlang Linie Z-Z von Fig. 1. Fig. 3 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des Drucksensors S1. Dieser Halbleiterdrucksensor S1 kann durch bekannte Halbleiterherstellungstechniken hergestellt werden.
Der Halbleiterdrucksensor S1 enthält ein aus einem Siliziumeinkristallsubstrat gebildetes Halbleitersubstrat 10 mit einer (110)-Ebene an der oberen Oberfläche 11 davon. Fig. 1 stellt diese (110)-Ebene dar, wobei die durch eine gestrichelte Linie dargestellte X-Achse (erste Achse) eine (001)-Kristallachse darstellt und die Y-Achse (zweite Achse) eine (110)-Kristallachse darstellt.
Das Halbleitersubstrat 10 besitzt einen hohen Abschnitt 13, welcher durch Ätzen der unteren Oberfläche 12 des Halbleitersubstrats 10 gebildet wird, um ein Diaphragma 14 (einen dünnen Abschnitt) bereitzustellen. Das Diaphragma 14 krümmt sich, d. h. wird elastisch deformiert, durch Aufbringen eines Drucks auf die Oberfläche 11 oder 12. Das Diaphragma 14 besitzt eine quadratische bzw. viereckige Form, und seine Dicke liegt innerhalb der Herstellungstoleranz.
In dem Halbleitersubstrat 10 sind vier Meßwiderstände Ra, Rb, Rc und Rd auf der Oberfläche 11 durch Ionenimplantierung oder das Diffusionsverfahren als Dehnungsmesser gebildet, wobei sich deren Widerstände mit einer Dehnungsspannung an dem Diaphragma 14 ändern.
Diese vier Meßwiderstände Ra bis Rd (Ra, Rb, Rc und Rd) bilden eine Brückenschaltung 20 wie in Fig. 3 dargestellt, wobei die (110)-Kristallachse (Y-Achse) verwendet wird, eine relativ hohe Empfindlichkeit zu liefern. Von diesen vier Meßwiderständen sind zwei Meßwiderstände (Mittenabschnittsmeßwiderstände) Ra und Rd nahe der Mitte des Diaphragmas 14 angeordnet (Schnittpunkt der X- und Y- Achsen), und es sind die anderen zwei Meßwiderstände (Umfangsrandabschnittsmeßwiderstände) Rb und Rc nahe dem Umfangsrandabschnitt des Diaphragmas 14 angeordnet. D. h., die Mittenabschnittsmeßwiderstände Ra und Rd sind näher an der Mitte des Diaphragmas 14 als die Umfangsrandabschnittsmeßwiderstände Rb und Rc angeordnet. Demgegenüber sind die Umfangsrandabschnittsmeßwiderstände Rb und Rc näher an dem Umfangsrand des Diaphragmas 14 als die Mittenabschnittsmeßwiderstände Ra und Rb angeordnet. Insbesondere sind die Umfangsrandabschnittsmeßwiderstände Rb und Rc außerhalb des Umfangsrands des Diaphragmas 14 wie in Fig. 1 und 2 dargestellt bei dieser Ausführungsform lokalisiert.
Die Mittenabschnittsmeßwiderstände Ra und Rb und die Umfangsrandabschnittsmeßwiderstände Rb und Rc empfangen Spannungen einer entgegengesetzten Polarität, d. h. eine Zugspannung und eine Druckspannung, wenn ein Druck an das Diaphragma angelegt wird, so daß sich die Widerstandswerte mit entgegengesetzten Polaritäten ändern.
Jeder der Meßwiderstände Ra bis Rd besitzt eine gefaltete Stab- bzw. Blockstruktur, welche weiter in zwei Teile geteilt ist. D. h., es sind wie in Fig. 1 dargestellt Teilmeßwiderstände Ra1, Ra2, Rb1, Rb2, Rc1, Rc2, Rd1 und Rd2 (Ra1 bis Rd2) gebildet. Diese Teilwiderstände Ra1 bis Rd2 besitzen denselben Widerstandswert im Ruhezustand des Diaphragmas.
Darüber hinaus sind auf der Oberfläche 11 des Halbleitersubstrats 10 Leiterstrukturen (Verdrahtungsstrukturen) 15 zum seriellen Verbinden der Meßwiderstände Ra1 bis Rd2 zur Bildung der Brückenschaltung 20 und Kontaktabschnitte 16 für Eingabeanschlüsse und Ausgabeanschlüsse der Brückenschaltung 20 und Verdrahtungsabschnitte durch Ionenimplantierung oder Diffusion oder dergleichen gebildet. In Fig. 1 sind die Meßwiderstände Ra bis Rd, die Leiterstrukturen 15, die Kontaktabschnitte 16 und die Verdrahtungsabschnitte für eine klare Darstellung schraffiert.
Die jeweiligen Leiterstrukturen 15 sind derart gebildet, daß sie relativ große Flächen besitzen, so daß ihre Widerstandswerte in der Brückenschaltung 20 vernachlässigbar sind, und sie im wesentlichen quadratische bzw. rechteckige Formen besitzen. Die Kontaktabschnitte 16 sind elektrisch an eine (nicht dargestellte) äußere Schaltung angeschlossen.
Fig. 3 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der Brückenschaltung 20. Die Brückenschaltung 20 ist als Wheatstone-Brücke mit vier Meßwiderständen Ra, Rb, Rc und Rd (acht Teilmeßwiderständen) gebildet.
Die Kontaktabschnitte 16, welche den Anschlüssen A, B, C, D, B1 und C1 von Fig. 3 entsprechen, sind in Fig. 1 mit Klammern wie 16(A), 16(B), 16(C), 16(D), 16(B1) bzw. 16(C1) dargestellt. Wenn dort entsprechend Fig. 1 dieselben Abschnitte wie 16(A) befindlich sind, sind darüber hinaus diese elektrisch miteinander und des weiteren mit der äußeren Schaltung verbunden.
Die Wheatstone-Brücke weist einen geschlossenen Schaltkreis mit einer Form eines vierseitigen Trapezoids auf, wobei die Meßwiderstände Ra bis Rd in Serie angeschlossen sind. Verbindungspunkte (Anschlüsse) A und B an den Ecken des Trapezoids, welche einander gegenüberliegen, und Verbindungspunkte (Anschlüsse) C und D werden zur Zufuhr einer Eingangsspannung Vin bzw. zur Ausgabe eines differentiellen Signals Vout1 als Sensorausgang verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist der Eingangsanschluß A mit einer Spannungsversorgung (erstes Potential) verbunden, und der Eingangsanschluß B ist an Masse (zweites Potential) angeschlossen. Somit wird das Potential an dem Anschluß A als das Potential A und das an dem Anschluß D als das Potential D in der Beschreibung bezeichnet.
Bei dieser Brückenschaltung 20 ist jeder der Meßwiderstände A bis D gleich in zwei Teilwiderstände geteilt. D. h., der Meßwiderstand Ra, welcher zwischen dem Eingangsanschluß A und dem Ausgangsanschluß B angeschlossen ist, ist in den Teilmeßwiderstand Ra1 und Ra2 geteilt. Der zwischen dem Ausgangsanschluß B und dem Eingangsanschluß D angeschlossene Meßwiderstand Rb ist in die Teilwiderstände Rb1 und Rb2 geteilt. Der zwischen dem Eingangsanschluß A und dem Ausgangsanschluß C angeschlossene Meßwiderstand Rc ist in die Teilmeßwiderstände Rc1 und Rc2 geteilt. Der zwischen dem Ausgangsanschluß C und dem Eingangsanschluß D angeschlossene Meßwiderstand Rd ist in die Teilmeßwiderstände Rb1 und Rb2 geteilt.
Die Teilmeßwiderstände Ra1, Ra2, Rd1 und Rd2 der Mittenabschnittsmeßwiderstände Ra und Rd (erste Gruppe) zeigen Widerstandswertänderungen mit entgegengesetzter Polarität zu den Teilmeßwiderständen Rb1, Rb2, Rc1 und Rc2 (zweite Gruppe) der Umfangsrandabschnittsmeßwiderstände Rb und Rc.
Jeder der Meßwiderstände Ra bis Rd besitzt einen Teilwiderstandsverbindungspunkt zwischen den Teilmeßwiderständen. D. h., es gibt einen Teilwiderstandsverbindungspunkt zwischen dem Teilwiderstand Ra1 und Ra2, einen Teilwiderstandsverbindungspunkt 81 zwischen den Teilwiderständen Rb1 und Rb2, einen Teilwiderstandsverbindungspunkt zwischen den Teilwiderständen Rc1 und Rc2 und einen Teilwiderstandsverbindungspunkt C1 zwischen den Teilwiderständen Rb1 und Rb2. Bei dieser Ausführungsform sind die Widerstandswerte dieser Teilwiderstände Ra1 bis Rb2 derart bestimmt, daß eine Verbindung der Teilwiderstandsverbindungspunkte zwischen Ra1 und Ra2 und zwischen Rc1 und Rc2 dasselbe Potential ausgibt und daß eine Verbindung der Teilwiderstandsverbindungspunkte B1 und C1 dasselbe Potential ausgibt, wenn kein Druck auf das Diaphragma 14 aufgebracht wird.
Mit dieser Struktur wird eine Potentialdifferenz Vout2 zwischen den Teilwiderstandsverbindungspunkten B1 und C1 für eine Diagnose verwendet. Insbesondere wird die Differenzspannung Vout2 durch einen Operationsverstärker in der äußeren Schaltung verstärkt, und es wird der Ausgang des Operationsverstärkers für eine Diagnose verwendet.
Fig. 4 veranschaulicht die Spannungsverteilung in dem Diaphragma 14, wenn das Diaphragma 14 getrimmt ist, d. h. elektrisch deformiert ist. Die Teilmeßwiderstände Ra1 bis Rd2 sind unter Berücksichtigung der durch die Krümmung des Diaphragmas 14 gebildeten Spannungsverteilung angeordnet.
Entsprechend Fig. 4 stellen Linien L0 bis L8 Spannungskonturlinien auf dem Diaphragma 14 und dessen Randabschnitt dar, welche durch eine Simulationsanalyse wie der finite Elementemethode (FEM) oder dergleichen erlangt werden. Die Spannungsverteilung wird durch die Spannungskonturlinien L0 bis L8 derart dargestellt, daß äquivalente Spannungen in einer Linie wie einer Konturlinie in einer Karte verbunden sind. Es wird angenommen, daß die Spannungskonturlinie L0 eine Spannung von null darstellt.
Die in Fig. 4 dargestellte Verteilung stellt den Fall dar, bei welchem ein Druck auf das Diaphragma 14 auf der Seite der oberen Oberfläche 11 des Halbleitersubstrats 10 aufgebracht wird. Somit wird eine Zugspannung außerhalb der Konturlinie L0 gebildet, wo eine Spannung von null vorliegt (Außenseite des Diaphragmas 14), und innerhalb davon wird eine Druckspannung gebildet. In Fig. 4 ist der untere Teil der oberen Oberfläche des Diaphragmas 14 (in der Zeichnung) ausgelassen, da die Verteilung bezüglich der X-Achse symmetrisch ist.
Das Diaphragma 14 dieser Ausführungsform besitzt eine (110)-Ebene und besitzt eine Ebene quadratischer bzw. viereckiger Form, so daß die Spannungsverteilung über dem Diaphragma 14 eine maximale Spannung an der Mitte aufweist und sich mit einem radialen Abstand auf dem Umfangsrandabschnitt des Diaphragmas 14 im wesentlichen koaxial verringert. Das Diaphragma 14 muß die Form besitzen, welche eine derartige Spannungsverteilung aufweist, und kann somit eine Form eines Kreises 14 wie in Fig. 6 dargestellt besitzen.
Insbesondere erzeugt ein Abschnitt in der Nähe der Mitte des Diaphragmas 14 eine maximale Spannung von -9,6 kgf/mm², und der Wert der Spannung verringert sich koaxial auf die Konturlinie L0 mit -8,1, -6,7, -5,2, -3,8 und -2,3 kgf/mm². Außerhalb des Umfangsrandabschnitts des Diaphragmas 14 zeigt eine Stelle nahe dem Umfangsrandabschnitt eine Spannung von 0,5 kgf/mm², was relativ hoch ist.
In dem Halbleitersubstrat 10 mit einer derartigen Spannungsverteilung sind die Teilmeßwiderstände Ra1, Ra2, Rd1, Rd2 (erste Gruppe) nahe der Mitte des Diaphragmas 14 angeordnet, um Spannungen aufzunehmen, welche eben bzw. gleichförmig zueinander sind, und die Teilmeßwiderstände Rb1, Rb2, Rc1, Rc2 (zweite Gruppe) sind nahe dem Umfangsrandabschnitt angeordnet, um Spannungen aufzunehmen, welche zueinander eben bzw. gleichförmig sind.
D. h., die Teilmeßwiderstände in derselben Gruppe sind an Stellen angeordnet, wo die Spannungen eben bzw. gleichförmig (äquivalent) sind. Der Grad der Gleichmäßigkeit ist in Fig. 4 dargestellt. Beispielsweise sind die Teilwiderstände Rb1 und Ra1 in der ersten Gruppe an einer Stelle angeordnet, wo die Spannungen -9,6 und -8,1 kgf/mm² betragen. Die Teilwiderstände Rb1 und Rb2 in der zweiten Gruppe sind an Stellen lokalisiert, wo die Spannung 0,5 kgf/mm² beträgt.
Die gesamte Anordnung der Teilwiderstände Ra1 bis Rd2 dieser Ausführungsform ist in Fig. 1 dargestellt. In Fig. 1 ist die erste Gruppe der vier Teilmeßwiderstände Ra1, Ra2, Rd1 und Rd2 punktsymmetrisch angeordnet. Die zweite Gruppe der Teilmeßwiderstände Rb1, Rb2, Rc1 und Rc2 ist ebenfalls punktsymmetrisch angeordnet. Darüber hinaus sind vier Teilmeßwiderstände in jeder Gruppe auf unterschiedlichen Quadranten lokalisiert, welche durch die X- und Y-Achsen definiert sind.
Bezüglich Fig. 3 wird der Betrieb des Halbleitersensors für eine dynamische Größe S1 beschrieben. Der Halbleitersensor für eine dynamische Größe S1 besitzt einen Eingang Vin, er besitzt jedoch zwei Ausgänge Vout1 und Vout2, d. h. den Sensorausgang zwischen den Ausgangsanschlüssen B und C und den Diagnoseausgang zwischen Anschlüssen B1 und C1.
In dem Zustand, bei welchem das Eingangssignal (Potential) Vin der Brückenschaltung 20 eingegeben wird, wenn das Diaphragma 14 sich durch das Aufbringen eines Drucks darauf krümmt, geht die Ausgeglichenheit des Widerstandswerts unter den vier Meßwiderständen Ra bis Rd verloren, so daß sich die Potentialdifferenz (Ausgangssignal) Vout1 entsprechend der Größe des aufgebrachten Drucks ändert. Dieser Ausgang Vout wird der äußeren Schaltung zugeführt, um den Sensorausgang zu erlangen, um die Größe des aufgebrachten Drucks zu erfassen.
Um einen Ausfall bzw. ein Versagen zu erfassen, wird die Potentialdifferenz Vout1 zwischen den Ausgangsanschlüssen B und C mit der Potentialdifferenz Vout2 zwischen den Teilwiderstandsverbindungspunkten B1 und C1 verglichen. Bei dieser Ausführungsform besitzen die jeweiligen Teilmeßwiderstände dieselben Widerstandswerte, so daß das Verhältnis des Widerstandswerts zwischen den Teilmeßwiderständen Rd1 und Rd2 und das Verhältnis des Widerstandswerts zwischen den Teilmeßwiderständen Rb1 und Rb2 jeweils 1 : 1 beträgt. Dementsprechend liegt in dem normalen Zustand kein Ausfall vor, wobei die Potentialdifferenz Vout2 für den Diagnoseausgang stets halb so groß wie die Potentialdifferenz Vout1 für den Sensorausgang ist.
Fig. 5 veranschaulicht diese Beziehung, d. h. die Änderungen der differentiellen Ausgänge Vout1 und Vout2, wobei der Druck entlang der Achse der Abszisse dargestellt wird und die Spannung (V) entlang der Achse der Ordinate dargestellt wird. Mit dieser Beziehung wird beispielsweise der differenzielle Ausgang Vout2 mit einem Verstärkungsfaktor von zwei verstärkt, um eine Beziehung von 1 : 1 zwischen dem Sensorausgang und dem Diagnoseausgang in dem normalen Zustand zu erhalten.
In einem ungewöhnlichen Zustand, d. h. wenn eine Spannung ungleichmäßig auf das Diaphragma aufgebracht wird oder wenn eine Trennung in einem Widerstand auftritt, weicht das Verhältnis des Widerstandswerts zwischen den Teilwiderständen Rb1 und Rb2 oder das Verhältnis des Widerstandswerts zwischen den Teilwiderständen Rb1 und Rb2 von 1 : 1 ab. Dann weicht der Diagnoseausgang von der Hälfte des Sensorausgangs ab, d. h. das Verhältnis zwischen der mit einem Verstärkungsfaktor von zwei verstärkten Potentialdifferenz Vout2 und der Potentialdifferenz Vout1 weicht von 1 : 1 ab. Dies führt zu der Beurteilung eines Ausfalls in dem Sensor S1.
Wenn angenommen wird, daß der Diagnoseausgang Vout2 nicht bereitgestellt wird, d. h., wenn der Halbleitersensor für eine dynamische Größe S1 lediglich den Sensorausgang Vout1 ausgibt, obwohl der Sensorausgang Vout1 zu null wird, kann nicht entschieden werden, ob dies durch eine Beschädigung des Diaphragmas 14, einen Ausfall in den Meßwiderständen, einen Ausfall in der äußeren Schaltung oder durch die Tatsache hervorgerufen wird, daß der Druck tatsächlich null beträgt.
Obwohl andererseits bei dieser Ausführungsform der Sensorausgang Vout1 fehlerhaft zu null wird, so lange wie der Diagnoseausgang Vout normal ist, kann entschieden werden, daß der Druck nicht null beträgt und kein Ausfall in der äußeren Schaltung, jedoch ein Ausfall in dem Diaphragma 14 oder dem Meßwiderstand aufgetreten ist. Wenn insbesondere der Diagnoseausgang Vout2 ebenfalls null beträgt, kann entschieden werden, daß bei der äußeren Schaltung ein Ausfall vorliegt oder der Druck tatsächlich null beträgt.
Wie oben erwähnt, sind bei dieser Erfindung vier Meßwiderstände Ra bis Rd, welche die Brückenschaltung 20 bilden, jeweils in zwei geteilt, um acht Teilmeßwiderstände Ra1 bis Rd2 zu bilden. Die Teilmeßwiderstände jedes Meßwiderstands sind durch einen Teilmeßwiderstandsverbindungspunkt verbunden, wobei irgendeine Verbindung der Teilmeßwiderstandsverbindungspunkte, welche dasselbe Potential ohne Aufbringen eines Drucks ausgeben, für den Diagnoseausgang verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform werden die Teilmeßwiderstandsverbindungspunkte B1 und C1 verwendet, um den differenziellen Ausgang Vout für die Diagnose auszugeben. Somit können die Diagnose und die Messung lediglich mit einer Brückenschaltung zur selben Zeit bereitgestellt werden.
Darüber hinaus sind wie in Fig. 1 dargestellt die vier Teilmeßwiderstände Ra1, Ra2, Rd1 und Rd2, welche in den Mittenabschnittsmeßwiderständen enthalten sind, äquidistant von der Mitte des Diaphragmas 14 angeordnet, so daß sie an Stellen angeordnet sind, wo die Spannungen gleichförmig sind. Dies unterdrückt eine Änderung in der Empfindlichkeit infolge einer Plazierungsabweichung der Teilmeßwiderstände.
Darüber hinaus ist es bekannt, daß, wenn die Temperatur sich ändert, an Orten, wo Spannungsverteilungen sich voneinander unterscheiden, die Druckverteilungen sich mit der Temperaturänderung unterschiedlich ändern. Demgegenüber ist bei dieser Ausführungsform jede Gruppe der Teilmeßwiderstände an Stellen angeordnet, an denen die Spannungsverteilungen gleichförmig sind, so daß die Empfindlichkeitstemperaturcharakteristik verbessert werden kann.
Bei dem japanischen Patent Nr. 3049532 wurde ein Ringgraben an dem Diaphragma gebildet, um einen dicken Abschnitt und einen dünnen Abschnitt vorzusehen. Bei dieser Ausführungsform kann ein derartiges Diaphragma angenommen werden. Jedoch wird die Form des Diaphragmas kompliziert, so daß das Diaphragma mit einer Abweichung der Positionen von jeweiligen Elementen gebildet werden kann. Daraufhin besitzt bei dieser Ausführungsform das Diaphragma 14 eine gleichförmige Dicke, um eine derartige Schwierigkeit aufzuheben. Darüber hinaus kann diese Struktur die Kosten verringern.
Wenn bei dieser Ausführungsform Widerstandswerte der Leiterstrukturen 15 oder dergleichen eine Streuung besitzen, beeinflußt dies die Erfassungsempfindlichkeit. Daraufhin werden die Größen und die Formen der Leiterstrukturen 15 bei dieser Ausführungsform ausgeglichen.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf eine modifizierte Anordnung der Meßwiderstände.
Die Anordnung der Teilmeßwiderstände dieser in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann zu der in Fig. 7 dargestellten modifiziert werden. In der Anordnung von Fig. 1 sind die Teilmeßwiderstände Ra1 und Ra2 symmetrisch zu der X-Achse angeordnet, und es sind ähnlich die Teilmeßwiderstände Rd1 und Rd2 symmetrisch zu der X-Achse angeordnet. Darüber hinaus sind die Teilmeßwiderstände Ra1 und Rd1 symmetrisch zu der Y-Achse angeordnet, und ähnlich sind die Teilmeßwiderstände Ra2 und Rd2 symmetrisch zu der Y-Achse angeordnet. Demgegenüber sind in der in Fig. 7 dargestellten Anordung die Teilmeßwiderstände Ra1 und Ra2 symmetrisch zu der Y-Achse angeordnet, und ähnlich sind die Teilmeßwiderstände Rd1 und Rd2 symmetrisch zu der Y-Achse angeordnet. Darüber hinaus sind die Teilmeßwiderstände Ra1 und Rd2 symmetrisch zu der X- Achse angeordnet, und ähnlich sind die Teilmeßwiderstände Ra2 und Rd1 symmetrisch zu der X-Achse angeordnet.
Fig. 8 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des in Fig. 7 dargestellten Halbleitersensors für eine dynamische Größe. Obwohl entsprechend Fig. 7 die Anordnung der Meßwiderstände in dem Schaltungsdiagramm sich von der in Fig. 3 dargestellten unterscheidet, sind die jeweiligen Anschlüsse A, B, C, D, B1 und C1 für dieselben Operationen vorgesehen.
Bei dieser Ausführungsform wird die Potentialdifferenz zwischen zwei Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten für die Diagnose verwendet. Das Paar von zwei Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten kann frei bestimmt werden, so lange wie die Potentiale daran miteinander übereinstimmen, wenn kein Druck darauf aufgebracht wird. Beispielsweise kann die Potentialdifferenz zwischen den Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten zwischen den Teilmeßwiderständen Ra1 und Ra2 und zwischen den Teilmeßwiderständen Rc1 und Rc2 als Diagnoseausgang verwendet werden.
Darüber hinaus kann zum Erhöhen der Genauigkeit der Diagnoseoperation eine Mehrzahl von Potentialdifferenzen (eine Mehrzahl von Paaren von Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten) zur selben Zeit verwendet werden.
Insbesondere wird die Potentialdifferenz zwischen Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten zwischen den Teilmeßwiderständen Ra1 und Ra2 und zwischen den Teilmeßwiderständen Rc1 und Rc2 zusätzlich zu der Potentialdifferenz Vout2 zwischen Anschlüssen B1 und C1 weiter verwendet, um zwei Diagnoseausgänge bereitzustellen oder ein Ergebnis auszugeben, welches durch Verknüpfung von zwei Diagnoseergebnissen erzielt wird.
Des weiteren können acht Teilmeßwiderstände Ra1 bis Rd2 unterschiedliche Widerstandswerte besitzen. Fig. 9 zeigt dieses modifizierte Beispiel. Entsprechend Fig. 9 betragen die Verhältnisse des Widerstandswerts zwischen den Teilmeßwiderständen Rd1 und Rd2 und zwischen Rb1 und Rb2 1 : 2. Somit beträgt in dem normalen Zustand die Potentialdifferenz Vout1 drei Hälften der Potentialdifferenz Vout2 für die Diagnoseoperation.
Wenn diese Beziehung nicht aufrechterhalten wird, kann ein Ausfall in dem Sensor S1 beurteilt bzw. angenommen werden. D. h., es werden die Teilmeßwiderstandsverbindungspunkte für den Diagnoseausgang bestimmt, um dasselbe Teilverhältnis zu erzielen. Insbesondere werden entsprechend Fig. 9 die Teilmeßwiderstandsverbindungspunkte bestimmt, um das Verhältnis bezüglich des Widerstandswerts von Rb1 : Rb2 = Rd1 : Rd2 zu erlangen.
Darüber hinaus werden bei der oben beschriebenen Ausführungsform die vier Meßwiderstände Ra bis Rd jeweils in zwei unterteilt. Jedoch kann die Anzahl von Teilwiderständen von einem Meßwiderstand in der Größenordnung von beispielsweise zwei, drei oder mehr liegen. In dem Fall von drei Teilmeßwiderständen wird eine Verbindung von Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten bestimmt, um dasselbe Potential daran auszugeben, wenn keine dynamische Größe aufgebracht wird. Die Potentialdifferenz zwischen der Verbindung von Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten wird für die Diagnose verwendet.
Bei der Brückenschaltung 20 können Offset-Spannungen bei der Potentialdifferenz Vout des Sensorausgangs und der Potentialdifferenz Vout2 für die Diagnose vorhanden sein. Diese Offset-Spannungen werden als Spannungen bei diesen Ausgängen definiert, wenn kein Druck aufgebracht wird, und können zu Fehlern führen.
Diese Offset-Spannungen in der Brückenschaltung werden durch einen Verdrahtungswiderstandswert hervorgerufen. D. h., das Vorhandensein des Verdrahtungswiderstandswerts ruft die Offset-Spannungen in der Brückenschaltung 20 entsprechend der Form der Verdrahtungsstruktur hervor.
Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf eine Schaltungsstruktur, bei welcher die Verdrahtungsstrukturen der Leiterabschnitte 15 bezüglich den in Fig. 1 dargestellten modifiziert sind, um die Bildung einer Offset-Spannung zu verhindern. Fig. 11 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der in Fig. 10 dargestellten Brückenschaltung 20, um den Verdrahtungswiderstandswert in der Brückenschaltung 20 gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten genauer darzustellen.
In Fig. 10 sind die Leiterabschnitte 15 für eine deutliche Darstellung schraffiert. Verdrahtungswiderstandswerte der Leiterabschnitte 15 entsprechen Verdrahtungsstrukturen (Verdrahtungswiderstandswerten) H1 bis H10 von Fig. 11. Somit werden die Bezüge für Leiterabschnitte 15 in Fig. 10 mit Klammern einschließlich einem der Verdrahtungswiderstandswerte dargestellt.
Insbesondere entsprechen die Verdrahtungsstrukturen (Verdrahtungswiderstandswerte) H21, H22, H41, H42, H71, H72, H91 und H92 Verdrahtungsstrukturen zwischen den Teilmeßwiderständen Ra1 bis Rd2, d. h., Verdrahtungsstrukturen zwischen den Teilmeßwiderständen.
Darüber hinaus entsprechen Verdrahtungsstrukturen (Verdrahtungswiderstandswerte) H31, H32, H81 und H82 Verdrahtungsstrukturen für die Verbindung der Anschlüsse B und C mit den jeweiligen Teilmeßwiderständen. Des weiteren entsprechen Verdrahtungsstrukturen H5 und H6 den Verdrahtungsstrukturen, welche das erste Potential A jeweils mit den Meßwiderständen verbinden. Darüber hinaus entsprechen die Verdrahtungswiderstandswerte H1 und H10 Verdrahtungsstrukturen, welche das zweite Potential D jeweils mit den Teilmeßwiderständen verbinden.
Dabei stimmt die Grenze zwischen der Verdrahtungsstruktur H21 und H22 mit der Mittellinie (gestrichelte Linie in Fig. 10) einer dünnen Struktur 17 zur Verbindung zwischen dem Leiterabschnitt 15 und einem Kontaktabschnitt 16 überein. Ähnlich entsprechen die Grenzen von Paaren von Verdrahtungsstrukturen H31 und H32, H41 und H42, H71 und H72, H81 und H82, H91 und H92 Mittellinien einer dünnen Struktur, welche mit den Kontaktabschnitten 16 jeweils verbunden ist.
Bei einer Betrachtung von den Anschlüssen B und C aus auf den Anschluß A zu sind wie oben erwähnt bei der Brückenschaltung 20 die Verdrahtungsstrukturen H31 und H81, welche die Anschlüsse B und C jeweils mit den Teilmeßwiderständen verbinden, die Verdrahtungsstrukturen H41, H42, H71 und H72, welche die Teilmeßwiderstände verbinden, und Verdrahtungsstrukturen H5 und H6, welche die Teilwiderstände mit dem Anschluß A verbinden, aufeinanderfolgend angeordnet.
Bei einer Betrachtung von den Anschlüssen B und C aus auf den Anschluß D zu sind demgegenüber die Verdrahtungsstrukturen H32 und H82, welche die Anschlüsse B und C mit den Teilmeßwiderständen verbinden, die Verdrahtungsstrukturen H21, H22, H91 und H92, welche die Teilmeßwiderstände verbinden, und die Verdrahtungsstrukturen H1 und H10, welche die Teilwiderstände mit dem zweiten Potential D verbinden, aufeinanderfolgend angeordnet.
Um bei dieser Ausführungsform die Offset-Spannungen zu verringern, sind hier die Verdrahtungswiderstandswerte der Verdrahtungsstrukturen an entsprechenden Positionen bezüglich einer Leitung, welche den Anschluß B mit dem Anschluß C in dem äquivalenten Schaltungsdiagramm verbindet, ausgeglichen.
Mit anderen Worten, von den Verdrahtungsstrukturen H5 und H₆ zwischen dem ersten Potential A und den Teilmeßwiderständen, den Verdrahtungsstrukturen H1 und H2 zwischen dem zweiten Potential D und den Teilmeßwiderständen, den Verdrahtungsstrukturen H31 und H32, H81 und H82 und den Verdrahtungsstrukturen H21, H22, H41, H42, H71, H72, H91 und H92 zwischen den Teilmeßwiderständen besitzt ein Paar von Verdrahtungsstrukturen, welche an liniensymmetrischen Positionen bezüglich der Leitung angeordnet sind, welche den Anschluß B mit C verbindet, denselben Widerstandswert.
Insbesondere besitzen entsprechend Fig. 11 die Verdrahtungsstrukturen H1 und H5 denselben Verdrahtungswiderstandswert. Ähnlich besitzen Paare der Verdrahtungsstrukturen H22 und H41, der Verdrahtungsstrukturen H21 und H42, der Verdrahtungsstrukturen H32 und H31, der Verdrahtungsstrukturen H10 und H6, der Verdrahtungsstrukturen H92 und H71, der Verdrahtungsstrukturen H91 und H71 und der Verdrahtungsstrukturen H82 und H81 jeweils dieselben Verdrahtungswiderstandswerte. Diese Struktur wird bezeichnet als "liniensymmetrische Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von 8 nach C".
Bei dieser Struktur ist in dem Zustand, daß Potentiale an die Anschlüsse A und B angelegt sind und das Diaphragma 14 nicht gekrümmt ist, die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten Potential A und dem Anschluß 8 an die Spannungsdifferenz zwischen dem Anschluß 8 und dem zweiten Potentialanschluß D angeglichen. Demgegenüber ist die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen A und C an die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen C und D angeglichen.
Wenn angenommen wird, daß die Beziehung der Verdrahtungswiderstandswerte in der Brückenschaltung nicht der Bedingung in der "liniensymmetrischen Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von B nach C" genügt, unterscheidet sich die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen A und B von derjenigen zwischen den Anschlüssen B und D, obwohl kein Druck auf das Diaphragma 14 aufgebracht wird. Somit tritt eine Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen B und C als Fehler in dem Sensorausgang Vout1 auf.
Wenn demgegenüber bei dieser Ausführungsform kein Druck auf das Diaphragma 14 aufgebracht wird, wird die Offset-Spannung zwischen den Anschlüssen B und C zu null, d. h., es kann das Auftreten einer Offset-Spannung zwischen den Anschlüssen B und C unterdrückt werden. Somit enthält der Sensorausgang Vout keine Offset-Spannung.
Dementsprechend liefert die Verwendung der "lininensymmetrischen Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von B nach C" eine genaue Ausgangscharakteristik, so daß dies eine Änderung der Erfassungsempfindlichkeit infolge einer Verschiebung der Meßwiderstände unterdrückt.
Darüber hinaus besitzen zusätzlich zu der "liniensymmetrischen Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von B nach C" von den Verdrahtungsstrukturen H1, H21, H22, H31, H32, H41, H42, H5, H6, H71, H72, H81, H82, H91, H92, H10 vorzugsweise jedes Paar der Verdrahtungsstrukturen an leitungssymmetrischen Positionen bezüglich der Leitung zwischen dem ersten Potential A und dem zweiten Potential D denselben Verdrahtungswiderstandswert.
Insbesondere besitzt entsprechend Fig. 11 die Verdrahtungsstruktur H1 denselben Widerstandswert wie die Verdrahtungsstruktur H10; die Verdrahtungsstruktur H22 wie die Verdrahtungsstruktur H92; die Verdrahtungsstruktur H21 wie die Verdrahtungsstruktur H91; die Verdrahtungsstruktur H32 wie die Verdrahtungsstruktur H82; die Verdrahtungsstruktur H31 wie die Verdrahtungsstruktur H81; die Verdrahtungsstruktur H42 wie die Verdrahtungsstruktur H72; die Verdrahtungsstruktur H41 wie die Verdrahtungsstruktur H71; und die Verdrahtungsstruktur H5 wie die Verdrahtungsstruktur H6. Diese Struktur wird bezeichnet als "liniensymmetrische Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von A nach D".
Entsprechend dieser Struktur ist in dem Zustand, daß das Diaphragma 14 nicht gekrümmt ist und daß die Spannung zwischen dem ersten Potentialpunkt A und dem zweiten Potentialpunkt D angelegt wird, die Spannungsdifferenz zwischen dem Teilmeßwiderstandsverbindungspunkt B1 und dem zweiten Potentialpunkt an die Spannungsdifferenz zwischen dem zweiten Potentialpunkt D und dem Teilmeßwiderstandsverbindungspunkt C1 angeglichen.
D. h., die Potentialdifferenz Vout2 zwischen den Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten B1 und C1 hängt von den Verdrahtungswiderstandswerten zwischen den Teilmeßwertwiderstandsverbindungspunkten B1 und C1 ab. Wenn beispielsweise entsprechend Fig. 11 angenommen wird, daß der Verdrahtungswiderstandswert der Verdrahtungsstruktur H1 sich von demjenigen der Verdrahtungsstruktur H10 unterscheidet, entwickelt sich eine Offset-Spannung, da die Potentialdifferenz zwischen dem Teilmeßwiderstandsverbindungspunkt B2 und dem zweiten Potentialpunkt D sich von derjenigen zwischen dem zweiten Potential D und dem Teilmeßwiderstandsverbindungspunkt C1 unterscheidet.
Demgegenüber macht die Verwendung der "liniensymmetrischen Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von A nach D" die Offset-Spannung zwischen den Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten B1 und C1 zu null, wenn kein Druck aufgebracht wird. Somit unterdrückt dies die Offset-Spannung an dem Diagnoseausgang Vout2, so daß eine genauere Diagnoseoperation bereitgestellt werden kann.
Dabei können sowohl "die leitungssymmetrische Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von B nach C" als auch die "liniensymmetrische Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von A nach D" leicht dadurch bereitgestellt werden, daß alle Verdrahtungsstrukturen H1, H21, H22, H31, H32, H41, H42, H5, H6, H71, H72, H81, H82, H91, H92, H10 derart gestaltet werden, daß sie denselben Verdrahtungswiderstandswert besitzen. Dies liefert eine Brückenschaltung mit einer einfachen Struktur.
Bei dieser Ausführungsform besitzen die Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 (Leiterabschnitte 15) für eine Verbindung zwischen den Teilmeßwiderständen Ra1 bis Rd2 rechteckige Formen. Die Größe von jedem rechteckigen Abschnitt bestimmt den Verdrahtungswiderstandswert.
Fig. 12 stellt den halben Abschnitt der Brückenschaltung 20 einschließlich dem ersten Potentialpunkt A, dem Teilmeßwiderstandsverbindungspunkt B und dem zweiten Potentialpunkt D (Teilmeßwiderstände Ra1, Ra2, Rb1 und Rb2) dar.
Die Meßwiderstände Ra bis Rd und Leiterabschnitte 15 (Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10) werden durch Ionenimplantierung oder thermische Diffusion von Bor oder dergleichen in Bezug auf das Siliziumsubstrat 10 gebildet. Wenn angenommen wird, daß ein Schichtwiderstandswert ρs ist, eine Verdrahtungslänge L (in Y-Richtung) ist, eine Bereite W (laterale Richtung) ist, gilt für den Verdrahtungswiderstandswert R = ρs.L/W.
Der Schichtwiderstandswert ρs hängt von dem Zustand der Ionenimplantierung und von der thermischen Diffusionstemperatur ab. Wenn diese Verdrahtungsstrukturen und Widerstände unter derselben Ionenimplantierungsbedingung oder derselben thermischen Diffusionstemperatur gebildet werden, hängt somit der Widerstandswert R von L/W ab, beispielsweise von L1/W1.
Somit liefert ein Ausgleichen der Verhältnisse benachbarter Seiten der rechteckigen Formen zwischen zwei Verdrahtungsstrukturen denselben Verdrahtungswiderstandswert. Die Verhältnisse L/W können während des Bildens einer Maskenstruktur für die Ionenimplantierung eingestellt werden.
Insbesondere ist das Verhältnis von L1/W1 (Verdrahtungsstruktur H1) gleich demjenigen von L5/W5 (Verdrahtungsstruktur H5); das Verhältnis von L22/W2 (Verdrahtungsstruktur H22) ist gleich demjenigen von L41/W4 (Verdrahtungsstruktur H41); das Verhältnis von L21/W2 (Verdrahtungsstruktur H21) ist gleich demjenigen von L42/W4 (Verdrahtungsstruktur H42); und das Verhältnis von L32/W3 (Verdrahtungsstruktur H32) ist gleich demjenigen von L31/W3 (Verdrahtungsstruktur H31).
Der andere halbe Abschnitt der Brückenschaltung 20, d. h. der Abschnitt einschließlich den Teilmeßwiderständen Rc1, Rc2, Rd1 und Rd2 ist ähnlich gebildet. Dies liefert die "liniensymmetrische Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von B nach C".
Darüber hinaus ist jedes Paar von Verdrahtungsmustern an liniensymmetrischen Positionen bezüglich der Linie A-D derart ausgestaltet, daß es dasselbe Verhältnis L/W besitzt. Dies liefert die "liniensymmetrische Verdrahtungswiderstandswertstruktur bezüglich der Linie von A nach D".
Darüber hinaus liefert das Ausbilden der Verhältnisse aller Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 zueinander gleich denselben Verdrahtungswiderstandswert dazwischen.
Des weiteren kann eine Streuung des Herstellungsverfahrens auftreten. Um die Streuung der Verdrahtungswiderstandswerte der Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 zu verringern, wird somit die Diffusionskonzentration (Konzentration von Störstellen) in der Verdrahtungsstruktur erhöht, beispielsweise auf etwa 1 × 10²⁰ cm^-3, um den Widerstandswert zu verringern (wodurch der Schichtwiderstandswert ρs verringert wird).
Durch Gestalten der Diffusionskonzentration an jeweiligen Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 größer als diejenige an Meßwiderständen Ra bis Rd wird darüber hinaus weiter die Offset-Spannung verringert. Insbesondere wird durch Ausbilden der Diffusionskonzentration an den Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 gleich derjenigen an dem Kontaktabschnitt 16 die Offset-Spannung ohne einen zusätzlichen Prozeß verbessert.
Wie oben erwähnt, wird bei den in Fig. 1 und 10 dargestellten Strukturen die Offset-Spannung durch Einstellen des Verdrahtungswiderstandswerts der Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 durch Trimmen der Maskenstruktur für eine Ionenimplantierung, d. h. durch Trimmen der Form der rechteckigen Formen der Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 unterdrückt. Jedoch liefert das oben erwähnte Trimmen eine geringe Widerstandswertänderung, so daß dort eine Begrenzung der Verringerung der Offset-Spannung vorliegt.
Mit anderen Worten, wenn die Verdrahtungsstrukturen durch Trimmen größer ausgebildet werden, wird ebenfalls die Größe des Sensors erhöht.
Fig. 13 stellt eine Modifizierung zur weiteren Verringerung der Offset-Spannung dar. Die in Fig. 13 dargestellte Struktur wird durch partielles Modifizieren der in Fig. 10 dargestellten Struktur erlangt. D. h., die Widerstandswerteinstellungsabschnitte 50 werden des weiteren durch Bilden von Kerben zur Einstellung der Verdrahtungswiderstandswerte der Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 bereitgestellt.
Entsprechend Fig. 13 sind die Kerben an Verdrahtungsstrukturen H32, H5, H81 und H10 gebildet, um die Widerstandswerteinstellungsabschnitte 50 als Aussparungsabschnitt bereitzustellen. Dabei besitzen die Teilmeßwiderstände Ra1 bis Rd1 bzw. Ra2 bis Rd2 Faltabschnitte, d. h. eine Mehrzahl von geraden Stäben bzw. Blöcken, welche sich in Y-Richtung erstrecken und in X-Richtung angeordnet sind, und von kurzen Stäben bzw. Blöcken, welche Enden von aufeinanderfolgenden geraden Blöcken in Reihe zur Bildung der Faltabschnitte verbinden. Demgegenüber ist die Kerbe, welche eine rechteckige Form besitzt, in der Y-Richtung angeordnet, d. h., die Kerbe ist in der Richtung senkrecht zu der Richtung gebildet, in welche sich der gerade Block erstreckt.
Demgemäß besitzen entsprechend Fig. 13 die Verdrahtungsstrukturen H32, H5, H81 und H10 Widerstandswerteinstellungsabschnitte 50, welche durch die Kerben definierte Aussparungsabschnitte besitzen. Dies ändert in großem Maße die Widerstandswerte dieser Verdrahtungsmuster gegenüber dem Widerstandswerteinstellungsverfahren, welches bei der in Fig. 10 dargestellten Struktur verwendet wird.
Wie oben erwähnt, kann der Widerstandswerteinstel- lungsabschnitt 50 den Verdrahtungswiderstandswert ohne Vergrößern der Verdrahtungsstrukturform ändern, so daß die Einstellung des Verdrahtungswiderstandswerts ohne Änderung der von dem Sensor eingenommenen Fläche vorgesehen werden kann.
Mit anderen Worten, jeder der Teilmeßwiderstände besitzt gerade Blöcke, welche sich in die Y-Richtung erstrecken, und Verbindungsabschnitte, welche dazwischen eine Verbindung herstellen. Die Kerbe besitzt eine rechteckige Form, und die Längsrichtung der rechteckigen Form der Kerbe ist in einer X-Richtung senkrecht zu der Y- Richtung befindlich. Bei den Teilmeßwiderständen Ra1 bis Rd1 und Ra2 bis Rd2 ändert sich der Widerstand lediglich an den geraden Blöcken des Teilmeßwiderstands, welcher sich in die X-Richtung erstreckt. Demgegenüber wird der (Aussparungs-) Widerstandswerteinstellungsabschnitt 50 durch Vorsehen der Kerbe mit einer rechteckigen Form gebildet, deren Längsrichtung senkrecht zu der Längsrichtung der geraden Blöcke des Teilwiderstands befindlich ist. Dies verhindert eine Änderung des Widerstandswerts des Aussparungswiderstandswerteinstellungsabschnitts 50.
Mit anderen Worten, wenn eine Kerbe in der Längsrichtung der geraden Blöcke eines Teilmeßwiderstands vorgesehen ist, bildet der Aussparungswiderstandswerteinstellungsabschnitt 50 selbst einen Teilmeßwiderstand, wobei dessen Widerstandswert sich mit dem Aufbringen eines Drucks ändert.
Diese Widerstandswerteinstellungsabschnitte 50 werden leicht durch Einstellen der Maskenstruktur bei der Bildung der Verdrahtungsstrukturen H1 bis H10 durch Ionenimplantierung gebildet.

MODIFIZIERUNGEN

Diese Erfindung ist auf einen Halbleiterdrucksensor anwendbar, welcher eine Metallhülse mit einem geschlossenen Ende aufweist, welches einen dünnen Abschnitt besitzt, auf welchem ein Halbleitersubstrat angeordnet ist, wobei das andere Ende der Metallhülse geöffnet ist, um einen Druck dem dünnen Abschnitt einzuführen. Der Druck krümmt den dünnen Abschnitt. Daraufhin krümmt sich der Halbleiter selbst als Diaphragma. Somit wird eine Spannung in dem Halbleitersubstrat durch Meßwiderstände in dem Halbleitersubstrat erfaßt.
Darüber hinaus ist diese Erfindung anwendbar auf einen Beschleunigungssensor, welcher ein Diaphragma aufweist, welches durch einen durch Aufbringen einer Beschleunigung erzeugten Stoß gekrümmt wird, wobei die Spannungen in dem Diaphragma mit Meßwiderständen erfaßt werden.
Fig. 14 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleitersensor für eine dynamische Größe einer Modifizierung dieser Ausführungsform.
Das Potential an den Teilmeßwiderstandsverbindungspunkten B und C wird durch Einstellen der Position einer Leiterverdrahtung 103 getrimmt, welche an die Verdrahtungsstrukturen angeschlossen ist.
Entsprechend Fig. 14 sind die an die Teilmeßwiderstände Rb1 und Ra2 angeschlossenen Verdrahtungsstrukturen H3-1 und H3-2 (H3) kombiniert, um eine rechteckige Form zu besitzen, deren Längsrichtung mit der Y-Achse übereinstimmt. Eine Leiterverdrahtungsstruktur 103 ist mit einer Mittellinie der rechteckigen Form verbunden, welche sich in die X-Achse erstreckt. Das Einstellen der Position des verbindungspunkts zwischen der Leiterverdrahtungsstruktur 103 und der Verdrahtungsstruktur H3 (Trimmabschnitt) steuert den Verdrahtungswiderstandswert der Verdrahtungsstrukturen H3-1 und H3-2.
Dadurch wird das Potential an dem Anschluß B eingestellt. Ähnlich wird das Potential C durch Einstellen der Position des Verbindungspunkts zwischen der Leiterverdrahtungsstruktur 104 und der Verdrahtungsstruktur H8 eingestellt. Diese Struktur liefert eine feine Einstellung der Potentiale B und C, obwohl das Verhältnis L/W zwischen den Seiten der rechteckigen Form der Verdrahtungsstrukturen partiell nicht ausgeglichen werden kann. Somit kann die Offset-Spannung leicht verringert werden, wenn eine Begrenzung bei der Bildung der Verdrahtungsstrukturen vorliegt.
Darüber hinaus sind die Verdrahtungsstrukturen H2-1 und H2-2 (H2), welche an die Teilmeßwiderstände Rb1 und Rb2 angeschlossen sind, kombiniert, um eine rechteckige Form zu besitzen. Eine Leiterverdrahtungsstruktur 105 ist mit einer Mittellinie der rechteckigen Form der Verdrahtungsstrukturen H2-1 und H2-2 verbunden. Das Einstellen der Position des Verbindungspunkts zwischen der Leiterverdrahtungsstruktur 105 und der Verdrahtungsstruktur H3 (Trimmabschnitt) steuert den Vedrahtungswiderstandswert der Verdrahtungsstrukturen von H2-1 und H2-2. Ähnlich sind die Verdrahtungsstrukturen H7-1 und H7-2 (H7), welche an die Teilmeßwiderstände Rc1 und Rc2 angeschlossen sind, kombiniert, um eine rechteckige Form zu besitzen. Eine Leiterverdrahtungsstruktur 108 ist mit einer Mittellinie der rechteckigen Form der Verdrahtungsstrukturen H7-1 und H7-2 verbunden. Die Einstellung der Position des Verbindungspunkts zwischen der Leiterverdrahtungsstruktur 108 und der Verdrahtungsstruktur H7 (Trimmabschnitt) steuert den Verdrahtungswiderstandswert der Verdrahtungsstrukturen von H7-1 und H7-2.
Des weiteren sind die Verdrahtungsstrukturen H9-1 und H9-2 (H9), welche an die Teilmeßwiderstände Rd1 und Rd2 angeschlossen sind, kombiniert, um eine rechteckige Form zu besitzen. Eine Leiterverdrahtungsstruktur 106 ist mit einer Mittellinie der rechteckigen Form der Verdrahtungsstrukturen H9-1 und H9-2 verbunden. Die Einstellung der Position des Verbindungspunkts zwischen der Leiterverdrahtungsstruktur 106 und der Verdrahtungsstruktur H9 (Trimmabschnitt) steuert den Verdrahtungswiderstandswert der Verdrahtungsstrukturen von H9-1 und H9-2. Ähnlich sind die Verdrahtungsstrukturen H4-1 und H4-2 (H4), welche an die Teilmeßwiderstände Ra1 und Ra2 angeschlossen sind, kombiniert, um eine rechteckige Form zu besitzen. Eine Leiterverdrahtungsstruktur 107 ist mit einer Mittellinie der rechteckigen Form der Verdrahtungsstrukturen H4-1 und H4-2 verbunden. Die Einstellung der Position des Verbindungspunkts zwischen der Leiterverdrahtungsstruktur 107 und der Verdrahtungsstruktur H4 (Trimmabschnitt) steuert den Verdrahtungswiderstandswert der Verdrahtungsstrukturen H4-1 und H4-2.

Claims

1. Halbleitersensor für eine dynamische Größe mit:
einem Halbleitersubstrat mit einem Diaphragma, welches entsprechend einem Aufbringen einer dynamischen Größe mit einer Spannungsverteilung über wenigstens das Diaphragma elastisch deformiert wird; und
einer Brückenschaltung, welche vier Meßwiderstände in dem Diaphragma enthält, wobei Widerstandswerte der Meßwiderstände sich auf der Grundlage von Spannungen infolge der Spannungsverteilung jeweils ändern, wobei die Brückenschaltung erste und zweite Potentialeingänge und zwei Ausgänge an Zwischenverbindungspunkten zwischen den ersten und zweiten Eingängen aufweist, wobei jeder der vier Meßwiderstände eine Mehrzahl von Teilmeßwiderständen enthält, welche in erste und zweite Gruppen unterteilt sind, wobei die erste Gruppe der Teilmeßwiderstände an einem ersten Ort nahe der Mitte des Diaphragmas derart angeordnet ist, daß die Teilmeßwiderstände der ersten Gruppe Spannungen infolge der Spannungsverteilung aufnehmen, wobei die Größen der Spannungen gleichförmig zueinander sind, und die zweite Gruppe der Teilmeßwiderstände nahe einem Umfangsrand des Diaphragmas derart angeordnet ist, daß die Teilmeßwiderstände der zweiten Gruppe die Spannungen infolge der Spannungsverteilung aufnehmen, wobei die Größen der Spannungen gleichförmig zueinander sind.

2. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Verbindungspunkt eines ersten Paars der Teilmeßwiderstände in einem Meßwiderstand, welcher ein erstes Potential ausgibt, und ein zweiter Verbindungspunkt eines zweiten Paars der Teilmeßwiderstände in einem anderen Meßwiderstand, welcher ein zweites Potential ausgibt, einen Diagnoseausgang bereitstellen, wobei das erste Potential im wesentlichen gleich dem zweiten Potential ist, wenn die dynamische Größe nicht dem Diaphragma aufgebracht wird.

3. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat einen Trageabschnitt aufweist und das Diaphragma und der Trageabschnitt derart gebildet sind, daß die Spannung infolge der Spannungsverteilung an der Mitte des Diaphragmas am größten ist und sich im wesentlichen koaxial von der Mitte aus auf den Umfangsrand des Diaphragmas zu verringert.

4. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma die Form eines Quadrats besitzt.

5. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diaphragma die Form eines Kreises besitzt.

6. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Annahme, daß erste und zweite Achsen sich in der Mitte des Diaphragmas auf einer oberen Oberfläche des Diaphragmas senkrecht schneiden, die Teilmeßwiderstände der ersten Gruppe punktsymmetrisch an unterschiedlichen vier Quadranten, welche durch die ersten und zweiten Achsen definiert sind, jeweils angeordnet sind und die Teilmeßwiderstände der zweiten Gruppe punktsymmetrisch an unterschiedlichen der vier Quadranten angeordnet sind.

7. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teilmeßwiderstände denselben Widerstandswert besitzen.

8. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung des weiteren zwei Verdrahtungsstrukturen für eine Verbindung zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Teilmeßwiderständen aufweist, wobei unter der Annahme, daß die Brückenschaltung die Teilmeßwiderstände enthält und die Verdrahtungsstrukturen in einem äquivalenten Schaltungsdiagramm symmetrisch dargestellt sind, jedes Paar der Verdrahtungsstrukturen, welche an liniensymmetrischen Positionen bezüglich einer Linie zwischen den Zwischenverbindungspunkten auf dem äquivalenten Schaltungsdiagramm angeordnet sind, denselben Verdrahtungswiderstandswert zueinander besitzt.

9. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar der Teilmeßwiderstände, welche an liniensymmetrischen Positionen bezüglich einer Linie zwischen den ersten und zweiten Eingangspunkten auf dem äquivalenten Schaltungsdiagramm der Brückenschaltung angeordnet sind, denselben Verdrahtungswiderstandswert zueinander besitzt.

10. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar der Verdrahtungsstrukturen rechteckige Formen mit demselben Verhältnis zwischen unterschiedlichen Seiten der rechteckigen Strukturen besitzt.

11. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrahtungsstrukturen denselben Verdrahtungswiderstandswert besitzen.

12. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrahtungsstrukturen dieselben rechteckigen Formen mit demselben Verhältnis zwischen unterschiedlichen Seiten der rechteckigen Formen besitzen.

13. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Verdrahtungsstruktur eine Widerstandswerttrimmeinrichtung mit einer in der Verdrahtungsstruktur gebildeten Kerbe zum Trimmen des Verdrahtungswiderstands der Verdrahtungsstruktur enthält.

14. Halbleitersensor für eine dynamische Größe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Teilmeßwiderstände gerade Blöcke, welche sich in eine erste Richtung erstrecken, und Wendungsabschnitte aufweist, welche die geraden Blöcke in Reihe verbinden, wobei die Kerbe eine rechteckige Form aufweist und eine Längsrichtung der rechteckigen Form der Kerbe in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung befindlich ist.