DE3230070C2

DE3230070C2 - Halbleiter-Druckfühler

Info

Publication number: DE3230070C2
Application number: DE3230070A
Authority: DE
Inventors: Kozo Itami Hyogo Yamagami
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-08-12
Filing date: 1982-08-12
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE3230070A1; JPS5828876A; US4459855A

Abstract

Die Erfindung schafft einen verbesserten Halbleiter-Druckfühler vom Silizium-Membrantyp. Der Fühler enthält eine Druckfühlervorrichtung in Form eines Substrats aus einkristallinem Silizium, mit einer eindiffundierten Widerstandsschicht auf der einen Fläche des Substrats und mit einer Ausnehmung auf der gegenüberliegenden anderen Fläche des Substrats, um dadurch einen dünnwandigen Abschnitt oder eine Zone zu schaffen, welche die eindiffundierte Widerstandsschicht enthält, wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt umgeben ist. Eine hermetisch abdichtbare Kappe deckt die eine Fläche der Fühlervorrichtung ab. Eine eindiffundierte leitfähige Zone, von der ein elektrisches Signal abgegriffen werden kann, ist in dem Schenkelabschnitt ausgebildet und ist elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Druckfühler mit einem Substrat aus einkristallinem Silizium, auf dessen einer Seite eine Widerstandsschicht eindiffundiert ist und auf dessen anderer Seite eine Ausnehmung ausgebildet ist. um einen dünnwandigen Bereich zu bilden, welcher die eindiffundierte Widerstandsschicht enthält, wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt umgeben isi. mit einer Kappe, welche die die Widcrstandsschichl aufreißende Fläche der Fühlcrvorrichlung abdeckt und hermetisch an der Fühlcrvorriehtung abgedichtet ist, und mit einer in den Schenkelabschnitt eindiffundierten leitenden Zone, die elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht verbunden ist.

Ein derartiger Halbleiter-Druckfühler ist aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on Electron Devices«, Vol. ED-26, No. 12. Dezember 1979. Seiten 1896 bis 1905 bekannt. Bei diesem bekai ,ten Halbleiter-Druckfühler ist die Kappe auf einer Seite mit Hilfe einer Dichtungsmasse unmittelbar auf der Widerstandsschicht befestigt und abgedichtet, was jedoch dazu führt, daß die Dichtfläche der Kappe der Kontur der Widerstandsschicht bzw. an den Übergang zwischen Widerstandsschicht und der Oberfläche des Substrats angepaßt werden muß. um eine genaue Lage der Kappe und eine hermetische Abdichtung sicher zu stellen.

Die prinzipielle Konstruktion des genannten bekannten Halbleiter-Druckfühlers ist in F i g. 1 gezeigt. Die allgemein mit IO bezeichnete Vorrichtung besteht aus einem Siliziumsubstrat 1 vom n-Leitfähigkeitstyp, die mit einer Widers'andsschicht 2 auf einer Fläche ausgestattet ist, wobei diese Widerstandsschicht beispielsweise durch die Kombination aus Fotoätzverfahren und Ionen-lnplantationsverfahren oder durch selektive Diffusion eines p-Typ Fremdatoms wie beispielsweise Bor hergestellt wird. Im Bereich 4 auf der zur Widerstandsschicht gegenüberliegenden Seite des Substrats ist eine Ausnehmung ausgebildet und zwar beisp'elsweise durch Anwendung eines Ätzverfahrens oder durch Läppen. Dadurch wird ein dünnwandiger zentraler Bereich

to la erhalten, der von einem dickwandigen Schenkelabschnitt 1 b umgeben ist.

Wenn auf diese Anordnung ein Druck ausgeübt wird, so wird der dünnwandige Bereich la, welcher die eindiffundierte Widerstandsschicht 2 enthält, deformiert, so daß dadurch eine Änderung im elektrischen Widerstand der Widerstandsschicht bewirkt wird. Der Bereich la dient daher als spannungsverursachende Zone. Die Fläche des Substrats 1 wird durch einen Siliziumoxydfilm oder einen Nitridfilm 6 isoliert und stabilisiert.

Die Widerstandsschicht 2 ist elektrisch mit einer metallisierten ohmschen Elektrode 3 verbunden, die oberhalb des Schenkelabschnitts 1 b ausgebildet ist. Die elektrische Verbindung zwischen der ohmschen Elektrode 3 und der eindiffundierten Widerstandsschicht 2 wird durch eine herausgeführte eindiffundierte Schicht erreicht, welche durch Diffusion eines Fremdatoms des gleichen Leitfähigkeitstyps wie derjenige der Widerstandsschicht hergestellt wird (p-leitende Verunreinigung bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel) oder wird durch einen aufgedampften Aluminiumfilm gebildet, der auf den Isolierfilm 6 der Fläche des Siliziumsubstrats 1 hergestellt wird.

Druckfühler vom Silizium-Membraniyp sind gegenwärtig in zwei Variationen erhältlich und zwar entsprechend dem Druckmeßverfahren:

(1) Ein Absolutdruck-Typ, bei dem die Druckänderung auf einer Seite der Siiizrum-Membran oder im Spannungsverursachenden Bereich mit dem Druck verglichen wird, der in einer Bezugsdruckkammer auf der anderen Seite herrscht, in welcher der Druck konstant gehalten wird, und

(2) ein Differentialdruck-Typ, bei dem die Differenz zwischen den Druckwerten gemessen wird, die auf die zwei Seiten der Membran wirken.

Die fertiggcstellic Konstruktion des bekannten Absolutdruck-Fühlertyps ist in Fig. 3 veranschaulicht. Eine komplette Halbleiter-Druckfühlervorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde, wird mit einem isolierenden Schulzfilm 6 auf der Fläche überzogen, auf welcher die Widerstandsschicht ausgebildet ist. Über den Isolierfilm wird eine hermetisch abdichtbare Kappe in Form eines Glasgefäßes oder Metallgefäßes 7 angeordnet, welches über ein Dichtungsmittel 9 abgedichtet wird, wobei der Innenraum 8 der Kappe 7 evakuiert wird oder mit einem Edelgas oder einem ähnlichen Medium mit einem konstanten Druck gefüllt wird. Der Bereich, an welchem die Kappe 7 am Isolierfilm 6 durch das Dichtmittel 9 befestigt ist, sollte nicht oberhalb des dünnwandigen Bereiches la der Fühlervorrichtung liegen. Aufgrund des Vorhandenseins der hermetisch abdichtbaren Kappe 7 auf der herkömmlichen Halbleiter-Fühlervorrichtung 10 nach F i g 1 muß jede der Elektroden 3. welche elekirisch mit der Widerstandsschicht 2 verbunden ist, zum Außenbereich der Kappe 7 geführt werden. Dies trägt jedoch zur Größe der Vorrichtung bei und steigert die Produktionskosten in unerwünschter Weise. Weiter ist

dabei von Nachteil, daß d.er Bereich, an weichem die Kappe 7 am isolierenden Film 6 durch das Dichtmittel 9 befestigt ist, in den meisten Fällen dicht beim dünnwandigen Bereich la der Silizium-Membran liegt. Dadurch wird jedoch eine nachteilige Wirkung auf die .Spannungscharakteristik hervorgerufen, speziell eine nachteilige Wirkung auf die Temperaturabhängigkeit des Drucks gegenüber den Kennlinien des elektrischen Ausgangssignals.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin den Halbleiter-Druckfühler der eingangs definierten Art derart zu verbessern, daß keinerlei geometrische Einschränkungen in dem Bereich mehr vorhanden sind, bei welchem die he.-metisch abdichtbare Kappe am Substrat befestigt wird und der kompakter ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Halbleiter-Druckiuhler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eindiffundierte leitende Zone sich von der einen Fläche des Siliziumsubstrats zu einer gegenüberliegenden Fläche an einem Ende des dickwandigen Schenkels erstreckt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Halbleiterdruckfühlers führt zu den folgenden Vorteilen:

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(1) Geometrische Einschränkungen im Bereich, bei welchem die hermetisch abdichtbare Kappe 7 auf dem Isolierfilm 6 befestigt wird, werden beseitigt und zwar in dem die metallisierte Elektrode 3 auf der Seite des Schenkelabschnitts \b angeordnet wird, welche dem spannungsverursachenden Abschnitt la gegenüberliegt. Somit kann das Gefäb mit dem Umfang der Fühlervorrichtung unter Anwendung des Dichtmittels 9 verbunden werden, also an einer Stelle, die zufriedenstellend weit von dem spannungsverursachenden Bereich oder Zone la entfernt liegt. Als Ergebnis hat dieser Fühler Ausgangskenngrößen entsprechend Druck gegenüber dem elektrischen Ausgangssignal, welche die gewünschte Temperaturabhängigkeit haben.

(2) Aus den unter (1) genannten Gründen kann der Fühler kompakter ausgeführt werden als herkömmliche Produkte und kann daher auch mit niedrigerem Kostenaufwand hergestellt werden.

(3) Da die metallisierte Elektrode 3 an dem vorspringenden Ende des Schenkels 1 e ausgebildet ist, kann die Filtervorrichtung 100 direkt mit Lötmetall an Fassungen gebunden werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiierbildüngen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Vergleich zum Stand der Technik unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 die Konstruktion eines herkömmlichen Druckfühlers,

F i g. 2 einen Halbleiter-Druckfühler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen nach der bO Erfindung, und

F i g. 3 eine erweiterte Ausführungsform der bekannten Konstruktion nach F i g. 1.

F i g. 2 zeigt einen Halbleiter-Druckfühler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung, Der Druckfühler ist allgemein mit 100 bezeichnet und kjsnn aus einem n-leitfähigen Siliziumsubstrat 1 von dem gleichen Typ bestehen, der zuvor in Verbindung mit tier Vorrichtung 10 in Γ i g. 1 erläutert wurde. F.inc Widersiaiklssehiehi 2 ist auf einer Iläche des Substrats I durch kombinierte Anwendung eines l'otoäl/verfahren.s und eines loneii-linplanuiiiuns Verfahrens oder durch selektive Diffusion von p-leiifiihigcn Fremdatomen, wie beispielsweise Bor. ausgebildet. Im Bereich 4 auf der zur Widerstandsschicht gegenüberliegenden Seite des Substrats ist eine Ausnehmung ausgebildet, beispielsweise durch Läppen oder durch chemisches Ätzen, um dadurch einen dünnwandigen Bereich la auszubilden, der ca. 30 — 50 μπι dick ist. Dieser eine Spannung verursachende Bereich la wird von einem dickwandigen Schenkelabschnitt Ib umgeben. Gemäß F i g. 2 ist in dem Schenkelabschnitt \b eine leitende Zone 5 durch Eindiffusion eines p-leitfähigen Fremdatoms in das Siliziumsubstrat ausgebildet. Wenn mehr als nur eine eindiffundierte p-leitfähige Zone ausgebildet wird, so muß jede Zone elektrisch vcn der anderen Zone isoliert werden. Die Zahl derartiger eindiffundierter Zonen ist davon abhängig, wie groß die Zahl der Elektroden ist. Jede eindiffundiertt Zone 5 vom p-Typ hat ohmschen Kontakt mit einer metali.sierten Elektrode 3, die auf der anderen (d. h. Projektionsfläche) Fläche des Schenkelabschnitts Xb jeder Signal aufneh.nenden Fläche ausgebildet ist. Die Widerstandsschicht 2 kann elektrisch mit der eindiffundierten Schicht 5 vom p-Typ durch herkömmliche Verfahren oder Mittel verbunden werden, beispielsweise durch Verbinden mit Hilfe eines durch Aufdampfen hergestellten Aluminiumfilms oder durch Ausbilden einer eindiffundierten Schicht vom p-Typ auf der Seite der Widerstandsschicht 2. Diese Anordnung schafft die Möglichkeit die elektrischen Signale, die aufgrund von Änderungen im druckabhängigen Widerstand der Widerstandsschicht erzeugt werden, von den unteren Enden der Schenke! 16 nach außen zu führen und zwar von der Zone wegzuführen, an welcher die abdichtbare Kappe an der oberen Fläche der Vorrichtung befestigt werden muß. In diesem Fall kann also die gesamte obere Fläche des Siliziumsubstrats 2 durch einen Isolierfilm aus Siliziumoxyd geschützt werden.

Bei dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel ist das Siliziumsubstrat 1 mit Fremdatomen vom η-Typ dotiert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß auch ein in gleicher Weise wirksamer Druckfühler dadurch hergestellt werden kann, in dem man ein Siliziumsubs'.rat vom p-Typ mit einer Widerstandsschicht 2 vom η-Typ und einer eindiffundierten Zone 5 vom η-Typ kombiniert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Druckfühler mit einem Substrat aus einkristallinem Silizium, auf dessen einer Seite eine Widerstandsschicht eindiffundiert ist und auf dessen anderer Seite eine Ausnehmung ausgebildet ist. um einen dünnwandigen Bereich zu bilden, welcher die eindiffundierte Widerstandsschicht enthält, wobei die Ausnehmung von einem dickwandigen Schenkelabschnitt umgeben ist, mit einer Kappe, welche die die Widerstandsschicht aufreißende Fläche der Fühlervorrichtung abdeckt und hermetisch an der Fühlervorrichtung abgedichtet ist, und mit einer in den Schenkelabschnitt eindiffundierten leitenden Zone, die elektrisch mit der eindiffundierten Widerstandsschicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eindiffundierte leitende Zone (5) sich von der einen Fläche des Siliziumsubstrats (1) zu einer gegenüberliegenden Fläche an einem Ende des dickwandigen Schenkels (1 ^erstreckt.

2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dickwandigen Abschnitt mehrere eindiffundierte leitfähige Zonen ausgebildet sind, die gegeneinander elektrisch isoliert sind.

3. Druckfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jede eindiffundierte leitende Zone eine metallisierte Elektrode (3) angeschlossen ist, die auf der anderen Fläche des Substrats angeordnet ist.

4. Druckruhler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da" eine Fläche des Substrats mit einem schüizenden durchgehenden Isolierfilm (6) abgedeckt ist.