DE3009877C2 - Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer Lastplatte - Google Patents
Halbleiterdehnungsmesser mit elastischer LastplatteInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdehnungsmesser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
vorausgesetzten Art
Es ist gut bekannt, daß ein Halbleiterdehnungsmesser,
der einen piezoresistiven Effekt eines Halbleiters ausnutzt, eine zehnmal so hohe Ausgangsempfindlichkeit
wie die eines herkömmlichen Drahtdehnungsmessers hat Ein bekannter Halbleiterdehnungsmesser
verwendet ein Halbleitersubstrat mit einem Dehnungsmeßstreifen, der auf einer Hauptfläche des Substrats
durch Diffusion oder epitaktisches Wachstum ausgebildet ist. Ein durch Verbinden eines solchen Halbleiter-Substrats
mit einem elastischen Metallastelement erhaltener Halbleiterdehnungsmesser wird Lastolatten-Iyp-Haibleiterdehnungsmesser
genannt. Diese Art von Halbleiterdehnungsmesser ist beispielsweise in der DE-AS 11 68 118 beschrieben, wonach der Dehnungsmeßstreifen
von einem Paar paralleler Umfangskanten des Halbleitersubstrats einen der Streifenbreite entsprechenden
Querabstand, von dem anderen Paar paralleler Umfangskanten des Halbleitersubstrats jedoch einen im
Vergleich mit der Streifenlänge relativ weit kürzeren Längsabstand hat, ohne daß auf die Bedeutung dieser
Abstände näher eingegangen wird.
Ein Lastplatten-Halbleiterdehnungsinesser ist insofern
vorteilhaft als eine Lastpiatte, auch wenn sie aus einer Metallmemb.-an oder einem Metallgehäuse
besteht, eine verhältnis- läßig leichte Verbindung eines Halbleitersubstrats damit ermöglicht Jedoch wird der
Ausgang dieser Art von Halbleiterdehnungsmesser durch einen Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten
eines Halbleitersubstrats und dem einer Metallastplatte, die Art des zwischen dem
Halbleitersubstrat und der Metaliastplatte eingefügten
Bindemittels und die Verbindungsbedingungen beeinflußt Dies verursacht eine Nullpunktverschiebung und
Hysterese im Ausgang. Daher ist der aus der DE-AS 11 68 118 bekannte Halbleiterdehnungsmesser bezüglich
seiner Empfindlichkeit Genauigkeit und Verläßlichkeit nicht befriedigend.
Andererseits ist aus der DE-AS 1143 649 ein
Lastplatten-Behnungsmesser bekannt bei dem Pitzo-Widerstandsmaterialstreifen
auf der Oberseite und der Unterseite der Lastplatte in relativ geringen Längsabständen
von deren Umfangskanten direkt aufgebracht
sind, wobei auch hier eine Bedeutung des Abstandes nicht erläutert wird.
Schließlich ist es aus dem »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen« von Rohrbach (1967),
Seiten 128-139, bekannt, daß beim Aufbau von Dehnungsmessern danach zu streben ist eine Nullpunktverschiebung
und eine Hysterese, wie sie u.a. durch unterschiedliche Wärmedehnungen des Dehnungsmeßstreifens
seines Trägers und des sie verbindenden Materials verursacht werden, möglichst gering
zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterdehnungsmesser der eingangs vorausgesetzten
Art zu entwickeln, bei dem unter Berücksichtigung der durch unterschiedliche Dehnungen entstehenden
Scherspannungen bei Verwendung eines Halbleitersubstrats bestimmter Bemessung die Nullpunktverschiebung
und Hystereseeigenschaften möglichst weit reduziert werden und die Empfindlichkeit, Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit der Meßwerte entsprechend gesteigert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnende Maßnahme der Patentanspruchs 1
gelöst
Eine Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet
Die Festlegung des Abstandes des bzw. der Dehnungsmeßstreifen von allen Umfangskanten des
Halbleiter Substrats auf wenigstens ein Drittel der Länge der zur Abstandsrichtung parallelen Umfangskanten
führt zu einer derartigen Verteilung der vom Halbleitersubstrat aufgenommenen Scherspannung, daß diese im
Dehnungsmeßstreifenbereich so weit gesenkt ist daß sich die Nullpunktverschiebung und die Hysterese
äußerst gering halten lassen und daher die angestrebte Empfindlichkeit Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Meßwerte gewährleistet ist
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert;
darin zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines Halbleiterdehnungsmessers gemäß der Erfindung,
Fig.2 einen schematischen Grundriß eines im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 verwendeten Halbleitersubstrats,
Fig.3 einen vergrößerten Grundriß des in Fig.2
gezeigten Halbleitersubstrats, der dessen Einzelheiten zeigt, und
F i g. 4 einen vergrößerten Grundriß eines Teils des in F i g. 3 dargestellten Halbleitersubstrats.
Gemäß F i g. 1 und 2 ist ein Halbleitersubstrat 14 mit der Oberfläche 12 einer Metallastplatte 10 mittels Lot
16 verbunden. Ein Dehnungsmeßstreifenbereich 20 ist auf der Oberseite 18 des Halbleitersubstrats 14 gebildet.
Dessen Unterseite 22 ist mit der Oberfläche 12 der Metallastplatte 10 verbunden. Die Metallastplatte 10 ist
an ihrem einen Ende an einem festen Bauteil 23 befestigt
und wird entsprechend einem Druck und einer Verschiebung elastisch verformt um eine mechanische
Spannung in der Oberfläche 12 zu erzeugen.
Die Kurven A, B in F i g. 2 stellen die Verteilung der
vom Halbleitersubstrat 14 aufgenommenen Sc'-Tspannung
dar. Die Bezugszeichen Lp, Tp aezeicr- ;. die
Breitseiten- bzw. die Längsseitenlänge d*;*· Ht.-ieitersubstrats
14, und die Bezugszeichen c, o* '■ zeichnen
Komponenten der Scherspannung. Π» ^c « urven A. B
zeigen, daß die Komponenten a<. Q- ■■■ oen Umfangsteilen
des Halbleitersubstrais 14 ..oßer und im mittleren
Teil des Halbleitersubstrats i4 as.: geringsten sind, der
von den Seiten 24,26,28,30 des Halbleitersubstrats 14
im wesentlichen gleiche Abstände aufweist. Und zwar zeigen die Kurven A, B, daß die Komponenten ei, 02 im
mittleren Bereich des Substrats 14, dessen Breite '/3 der Länge des Substrats 14 ist, kleiner sind.
Nach Versuchsergebnissen verringern sich die Nullpunktverschiebung
und die Hysterese in den Ausgangseigenschaften eines Halbleiterdehnungsmessers, wenn
die Komponenten σι, σι verkleinert werden.
Unter Berücksichtigung des obigen wird die Bemessung des Dehnungsmeßstreifenbereiches 20 erfindungsgemäß
folgendermaßen gewählt. Der Streifenbereich 20 weist von den Längsseiten 28, 30 des Substrats 14
Abstände L\, Li auf, die größer als '/3 der Länge Lp der
Breitseiten 24,26 des Substrats 14 sind und der Bereich 20 weist von den Breitseiten 24, 26 des Substrats 14
Abstände L* Ls, auf, die größer als '/3 der Länge Tp der
Längsseiten 28, 30 des Substrats 14 sind. Wenn ein Dehnungsmeßstreifen 20 der vorstehend erwähnten
Abmessung verwendet wird, lassen sich die Nullpunktverschiebung und die Hysterese äußerst gering halten,
da der Streifenbereich 20 bei einer niedrigen Scherspannung gehalten werden kann.
Wie in F i g. 1 und 2 gezeigt ist, besteht ein Halbleitersubstrat 14 aus einem rechteckigen N-Siliziumsubstrat
Tiit gegenüberliegenden Hauptflächen 18,
22 und 3,0 mm langen Breitseiten 24,26 und Längsseiten 28,30.
Wie im einzelnen in Fig.4 gezeigt ist, sind im
mittleren Teil der Oberseite 18 des Siliziumsubstrats 14
Dehnungsmeßstreifen 32,34,36; 38,40,42 gebildet Die
Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36; 38, 40, 42 erstrecken sich parallel zu den Breitseiten 24, 26 des Siliziumsubstrets
14, und die Längen Lg, Tg (Fig.3) der
Dehnungsmeßstreifen sind 0,480 mm bzw. 0310 mm. Die Kristallebene dieses Halbleitersubstrats 14 ist (111),
und die Dehnungsmeßstreifen 32,34, 36; 38,40,42 s'nd
sämtlich parallel zur Ebene (111) ausgebildet
Die Dehnungsmeßstreifen 32,34,36; 38,40,42 sind in
Reihe durch Niedrigwiderstandsschichten 44, 46 bzw. 48,50 verbunden, um einen Anfangswiderstandswert zu
behalten.
Die Zahl der Dehnungsmeßstreifen wird in Abhängigkeit von dem zulässigen Stromvei orauch gewählt
Wenn der Stromverbrauch niedrig ist. wi' ; die Zahl der
Meßstreifen erhöht um einen erhöhten Anfa ;gswiderstandswert
zu erhalten.
Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36; 38, 40, 42 sind auf der Oberseite 18 des N-Siliziumsubstrats 14 durch
Eindiffundie:°n eines p-Dotierstoffes gebildet worden.
Aluminiumelektroden 52, 54, 56, 58 sind durch Aufdampfen auf das Siliziumsubstrat 14 ausgebildet, wie
in F i g. 3 gezeigt ist Die Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36 sind in Reihe zwischen den Elektroden 52,54 und die
Dehnungsmeßstreifen 38, 40, 42 zwischen den Elektroden 56,58 in Reihe verbunden.
Zusätzlich zu den Aluminiumelektroden 52, 54,56,58
ist auf dem Siliziumsubstrat 14 eine Aluminiumelektrode 60 ausgebildet Die Aluminiumelektrode 60 liefert dem
Siliziumsubstrat 14 ein hohes Potential, um den Rauschabstand (S/N-Verhältnis) des Dehnungemessers
zu verbessern.
Außerdem sind noch Aluminiumleiter 62, 64, 66 aj.f
das Siliziumsubstrat 14 aufgedampft Dementsprechend wirkt eine Verbindungsbelastung gleichmäßig auf das
Halbleitersubstrat ein, so daß die Dicke des Lots 16 gleichmäßig wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Halbleiterdehnungsmesser mit einer eine einer mechanischen Spannung ausgesetzte Oberfläche
aufweisenden elastischen rastplatte und einem
Halbleitersubstrat, dessen Unterseite mit der elastischen
Lastpiatte verbunden ist und dessen Oberseite mit wenigstens einem in einem Abstand von den
Umfangskanten der zweiten Hauptfläche des Halb-Ieitersubstrats
angeordneten, durch Eindiffundieren eines Dotierstoffes in das Halbleitersubstrat (14)
gebildeten Dehnungsmeßstreifen und mit dem oder ' mehreren solchen Dehnungsmeßstreifen verbundenen
Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
ds3 der Abstand (L,, L2, L^, U) des
Dehnungsmeßstreifens (20) von allen Umfangskanten (28, 30, 24, 26) des Halbleitersubstrats (14)
wenigstens ein Drittel der Länge (Lpbzw. Tp) der zur
Abstandsrichtüng parallelen Umfangskanten (24,26 ;o
bzw. 28,30) beträgt.
2. Halh'pjterdehnungsmesser nach Anspruch t mit
einer Mehrzahl von im wesentlichen im Mittelteil des Halbleitersubstrats vorgesehenen Dehnungsmeßstreifen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßstreifen (32,34,36; 38,40 42) parallel
zu den Längsseiten (28,30) oder zu den Breitseiten (24, 26) der Oberseite (18) des Halbleitersubstrats
(14) derart angeordnet sind, daß die Gesamtheit der Dehnungsmeßstreifen (32,34,36; 38,40,42) von den
Längsseiten (28, 30) der Oberseite (18) des Halbleitersubstrats (14) einen wenigstens 1Zi der
Länge (^p)der Breitseiten (24,26) der Oberseite (18)
des Substrats (14) gleichen Abstand (L,, L2) und von
den Breitseiten (24, 26) e /en wenigstens '/3 der jj
Länge (Tp) der LXngss iten (28, 30) gleichen Abstand (Lj, U) hat, und daß tJie Dehnungsmeßstreifen
(32, 34, 36; 38, 40, 42) zwischen den Elektroden (52,54; 56,58) in Reihe geschaltet sind.
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