DE3725311A1 - Halbleiterdruckfuehler - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterdruckfühler und
insbesondere auf einen Halbleiterdruckfühler, der sich zur
Verwendung beim Steuern der Zündpunkteinstellung oder Kraft
stoffeinspritzung in Kraftfahrzeugen eignet und der eine Hoch
genauigkeits-Temperaturkompensation über einen weiten Bereich
von Temperaturen ermöglicht.
Allgemein besteht der Halbleiterdehnungsmesser, der einen
Halbleiterdruckfühler darstellt, aus einem P-diffundierten Wider
stand, der auf einem N-Siliziumsubstrat gebildet ist, und der
Temperaturkoeffizient des Widerstandes und der Temperaturko
effizient des Meßänderungskoeffizienten (Widerstandsänderungs
koeffizient je Dehnungseinheit) sind jeweils von der Ober
flächenverunreinigungskonzentration zur Zeit der Diffusion
abhängig.
Es ist beispielsweise in "Collection of Papers Scheduled
to be Presented at 36th Meeting of Applied Physics Society
24a-D-6 (1975)", Seite 62, Zeilen 16 bis 19 (vorgetragen von
Shimazoe und Yamada) offenbart, daß, im Falle, wo ein Druck
fühler, bei dem ein Halbleiterdehnungsmesser der oben beschrie
benen Art auf einer Siliziummembran in der Form einer Wheat
stone-Brücke ausgebildet ist, wenn dieser Druckfühler mit einem
konstanten Strom angetrieben wird, der Temperaturkoeffizient
der Empfindlichkeit das Minimum erreicht, wenn die Oberflächen
verunreinigungskonzentration 1018 Atome/cm3 und 1020 Atome/cm3
ist, d. h., der Temperaturänderungskoeffizient des Halbleiter
dehnungsmessers ist bei diesen Oberflächenverunreinigungskon
zentrationen Null.
Nach der Angabe im Anspruch 1 der JP-OS 1 13 379/1980
("Process for Producing Semiconductor Pressure-Sensitive
Device", veröffentlicht am 1. 9. 1980) und nach der Beschreibung
auf Seite 353, rechte Spalte, Zeilen 3 bis 6 ist es möglich,
die Oberfläche des in einer Halbleiterdruckfühleranordnung
verwendeten Piezowiderstandselements zu ebnen und die Tempera
turabhängigkeit seiner Empfindlichkeit zu minimieren, indem
man die Oberflächenverunreinigungskonzentration in der Nähe von
2 × 1020 Atomen/cm3 einstellt.
Druckfühler, insbesondere solche, die zur Steuerung der
Zündpunkteinstellung oder Brennstoffeinspritzung in Kraft
fahrzeugen verwendet werden, kommen in rauhen Umgebungen zum
Einsatz und müssen geeignet sein, Änderungen des Einlaßdrucks
im Einlaßverteiler bei von 40°C bis 120°C genau zu messen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist je
doch, obwohl es möglich ist, die Temperaturabhängigkeit inner
halb eines verhältnismäßig engen Temperaturbereichs, insbe
sondere von 10°C bis 60°C, zu eliminieren, die Empfindlichkeit
der bekannten Druckfühler von der Temperatur in den von dem
vorstehend beschriebenen Temperaturbereich abweichenden Niedrig-
oder Hochtemperaturbereichen abhängig, und es ist erforderlich,
in den Hoch- und Niedrigtemperaturbereichen eine Temperatur
kompensation vorzunehmen. In einem solchen Fall ist es, da Halb
leiterdehnungsmesser positive Temperatureigenschaften in den
(später im einzelnen beschriebenen) Niedrig- und Hochtemperatur
bereichen haben, unmöglich, eine befriedigende Temperaturkompen
sation sowohl in den Niedrig-, als auch in den Hochtemperatur
bereichen mit Thermistoren durchzuführen, die nur positive
Temperatureigenschaften haben. Demgemäß ist, wenn eine Kompen
sation über einen weiten Bereich von Temperaturen benötigt wird,
die Temperaturkompensationsschaltung nachteilig kompliziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter
druckfühler zu entwickeln, der so ausgelegt ist, daß die Tempe
raturkompensation der Empfindlichkeit mit einem hohen Genauig
keitsgrad über einen weiten Bereich von Temperaturen mit Hilfe
einer Temperaturkompensationsschaltung erreicht werden kann,
die einen Thermistor verwendet und einen verhältnismäßig ein
fachen Aufbau hat.
Hierzu sieht die vorliegende Erfindung einen Halbleiter
druckfühler vor, bei dem die Oberflächenverunreinigungskonzen
tration des Dehnungsmessers auf 2,3 × 1018 bis 2,5 × 1018 Atome/
cm3 festgesetzt ist und die Temperaturabhängigkeit des Dehnungs
messers innerhalb des Niedrigtemperaturbereichs mit Hilfe eines
Thermistors kompensiert wird.
Gegenstand der Erfindung, womit die genannte Aufgabe ge
löst wird, ist daher ein Halbleiterdruckfühler mit einem ela
stischen Siliziumeinkristallsubstrat, dessen Oberflächenspan
nung sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck
ändert, einem Dehnungsmesser, der aus einer an der Oberfläche
des Substrats gebildeten P-Diffusionsschicht besteht, einer
den Dehnungsmesser enthaltenden Brückenschaltung, einer Kon
stantstromschaltung zum Zuführen eines Antriebsstroms zur Brüc
kenschaltung und einer Verstärkerschaltung zum Verstärken des
Brückenausgangs von den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung
zur Bildung eines Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet,
daß er die Brückenschaltung bildende Dehnungsmesser, die je
weils durch diffundierte Widerstandsschichten mit einer Ober
flächenverunreinigungskonzentration gebildet sind, die im Be
reich von 2,3 × 1018 bis 2,5 × 1018 Atomen/cm3 eingestellt ist,
und einen in der Konstantstromschaltung eingefügten Thermistor
aufweist, der eine Temperatur-Widerstands-Eigenschaft hat,
die im wesentlichen gleich dem Temperaturänderungskoeffizient
der diffundierten Widerstandsschichten ist, welche Eigenschaf
ten so eingestellt sind, daß sie einander aufheben und damit
eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit bewirkt wird.
Auf diese Weise ist eine Hochgenauigkeits-Temperaturkompen
sation über einen weiten Temperaturbereich von -40°C bis 120°C
möglich.
Vorteilhaft ist die B-Konstante des Thermistors so ge
wählt, daß sie in den Bereich von 1400 K bis 2400 K fällt.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung veran
schaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 ein Schaltschema zur Veranschaulichung eines Ausfüh
rungsbeispiels des Halbleiterdruckfühlers gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Perspektivdarstellung eines Siliziumsubstrats,
auf dem die in Fig. 1 gezeigte Brückenschaltung ausgebildet ist;
Fig. 3 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der
Beziehung zwischen der Oberflächenverunreinigungskonzentration
und dem Empfindlichkeitstemperaturkoeffizient der auf dem
Siliziumsubstrat gebildeten diffundierten Widerstände, wobei
der Empfindlichkeitstemperaturkoeffizient erhalten wird, indem
man den Empfindlichkeitskoeffizient zwischen -40°C und 120°C
in den Empfindlichkeitskoeffizient je 100°C umwandelt;
Fig. 4 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der
Beziehung zwischen der Temperatur und dem Empfindlichkeitsände
rungskoeffizient von mit einer vorbestimmten Verunreinigungs
konzentration gebildeten diffundierten Widerständen, die in
Kombination eine druckempfindliche Brücke des Halbleiterdruck
fühlers gemäß der Erfindung darstellen,
Fig. 5 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der
Beziehung zwischen der Temperatur und dem Empfindlichkeitsände
rungskoeffizient von diffundierten Widerständen, die mit einer
Verunreinigungskonzentration gebildet sind, die von dem der
im Fall der Fig. 4 diffundierten Widerstände verschieden ist;
Fig. 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Temperatur-
Widerstands-Eigenschaft des Thermistors, der die in Fig. 1 ge
zeigte Konstantstromschaltung darstellt;
Fig. 7 ein Eigenschaftsdiagramm zur Veranschaulichung der
Beziehung zwischen der Temperatur und dem Temperaturänderungs
koeffizient der Empfindlichkeit zur Erläuterung der Kompensa
tion für den Ausgang des Halbleiterdruckfühlers gemäß der Er
findung; und
Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Empfindlich
keitsänderungskoeffizienten des Brückenausgangs im Fall, wo
die B-Konstante des Thermistors variabel geändert wird.
Gemäß Fig. 1 bilden vier Halbleiterdehnungsmesser 1
(RG 1 bis RG 4), die auf einem elastischen Substrat gebildet sind,
das aus einem N-Siliziumeinkristall besteht, in Kombination
eine Wheatstone-Brücke 2. Eine Konstantstromschaltung 5 ist
mit Anschlüssen C und F der Brückenschaltung 2 zum Zuführen
eines konstanten Stroms zur Brücke 2 verbunden.
Die Konstantstromschaltung 5 hat einen Rechenverstärker 6,
der an seinem Ausgangsanschluß mit dem Anschluß F der Brücken
schaltung 2 verbunden ist. Der Anschluß C der Brückenschaltung
2 ist mit der Erde (GND) über einen festen Widerstand RI 2 ver
bunden und auch mit dem negativen (-) Eingangsanschluß des
Rechenverstärkers 6 verbunden. Mit einer Konstantspannungs
quelle E R sind eine Empfindlichkeitstemperaturkompensations
schaltung 4 und ein fester Widerstand RI 1 in Reihe verbunden,
und der Knotenpunkt B dazwischen ist mit dem positiven (+)
Eingangsanschluß des Rechenverstärkers 6 verbunden. Die Empfind
lichtkeitstemperaturkompensationsschaltung 4 besteht aus einem
Thermistor 3, einem dazu parallel geschalteten festen Wider
stand RS 1, einem in Reihe zum Widerstand RS 1 geschalteten fe
sten Widerstand RS 2 und einem zu den Widerständen RS 1, RS 2 pa
rallel geschalteten festen Widerstand RS 3. Der Knotenpunkt A
ist mit der Stromquelle E R verbunden.
Die Anschlüsse D und E der Brücke 2 sind mit den posi
tiven (+) und den negativen (-) Eingangsanschlüssen eines
zweiten Rechenverstärkers 8 über feste Widerstände R 2 bzw. R 1
verbunden. Der positive (+) Eingangsanschluß des Rechenverstär
kers 8 ist mit dem Erdanschluß GND über einen festen Widerstand
R 4 verbunden. Der Ausgangsanschluß (E 0) des Rechenverstärkers 8
ist mit dem negativen (-) Eingangsanschluß des Rechenverstärkers
8 über einen Rückkopplungswiderstand R 3 verbunden, wodurch
ein Differenzialverstärker 7 gebildet wird.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Siliziumsubstrats 20, auf
dem die vorerwähnte Brückenschaltung 2 gebildet ist. P-diffun
dierte Widerstände 1 (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4) sind auf einem
Membranteil 21 des Siliziumsubstrats 20, wie oben beschrieben,
gebildet, und erfindungsgemäß werden diese P-diffundierten
Widerstände durch diffundierte Widerstände gebildet, die eine
Oberflächenverunreinigungskonzentration im Bereich von 2,3 ×
1018 bis 2,5 × 1018 Atomen/cm3 haben. Eine Ausnehmung 22 ist
im Boden des Siliziumsubstrats 20 gebildet, so daß beispiels
weise ein Vakuum in einem Motor in die Ausnehmung 22 eingeführt
wird, um die Höhe des Drucks zu erfassen.
Wie allgemein bekannt ist, ändert sich, wenn ein Wider
stand auf einem N-Siliziumsubstrat durch Erzeugen einer diffun
dierten P-Verunreinigungsschicht darin gebildet wird, der
Temperaturänderungskoeffizient der Empfindlichkeit entsprechend
der Oberflächenverunreinigungskonzentration. Fig. 3 zeigt die
Beziehung zwischen der Brückenausgangseigenschaft und der
Oberflächenverunreinigungskonzentration im Fall, wo die Brücke
unter Verwendung solcher diffundierter P-Verunreinigungswider
stände gebildet ist. Wie sich klar aus der Eigenschaftskurve
in Fig. 3 ergibt, ist, wenn die Oberflächenverunreinigungs
konzentration in der Nähe von 2,0 × 1018 Atomen/cm3 und in der
Nähe von 2 × 1020 Atomen/cm3 ist, der Temperaturkoeffizient
der Empfindlichkeit der Brücke im wesentlichen Null (0). So
versteht man, daß es vorzuziehen ist, diffundierte Widerstände
mit einer Verunreinigungskonzentration wie der oben erwähnten
zu verwenden.
Erfindungsgemäß wird dagegen die Brückenschaltung aus
verunreinigungsdiffundierten Widerständen mit einer Verunreini
gungskonzentration gebildet, die besonders vorgeschrieben ist
und im Bereich von 2,3 × 1018 bis 2,5 × 1018 Atomen/cm3 liegt.
Dies ist der Fall, da, wie in Fig. 4 gezeigt ist, der Empfind
lichkeitsänderungskoeffizient des Ausgangs der Brücke, die
unter Verwendung diffundierter Widerstände mit der oben erwähn
ten Verunreinigungskonzentration gebildet ist, positive Eigen
schaften im Niedrigtemperaturbereich (-40°C bis 20°C) im Ar
beitstemperaturbereich der Druckfühler hat, und im Hochtempera
turbereich (20°C bis 120°C) hat der Änderungskoeffizient der
Ausgangsempfindlichkeit einen konstanten Verlauf, d. h. der
Änderungskoeffizient ist innerhalb von 2% und im wesentlichen
0%. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Brücke mit dem
vorstehend beschriebenen Temperaturänderungskoeffizient verwen
det, und die positiven Eigenschaften im Niedrigtemperaturbe
reich werden mit Hilfe des (später im einzelnen beschriebenen)
Thermistors 3 kompensiert, wodurch ein Halbleiterdruckfühler
mit einem Empfindlichkeitsänderungskoeffizient von im wesent
lichen 0% über den Temperaturbereich von -40°C bis 120°C erhal
ten wird. Weiter ist es durch Einstellen der Verunreinigungs
konzentration auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert, wie er
oben beschrieben wurde, möglich, die Arbeitszeit zu verkürzen,
die zum Implantieren von Ionen in die Halbleiterdehnungsmesser 1
erforderlich ist, und daher ist der Halbleiterdruckfühler gemäß
der Erfindung wirtschaftlich und unter Herstellungsgesichts
punkten vorteilhaft.
Wenn die Verunreinigungskonzentration den oben erwähnten
Konzentrationsbereich unterschreitet und beispielsweise auf
2 × 1018 Atome/cm3 festgesetzt wird, hat der Empfindlichkeits
änderungskoeffizient eine positive Eigenschaft sowohl im hohen
als auch im niedrigen Temperaturbereich, wie in Fig. 5 gezeigt
wird, und dies macht es schwierig, die Empfindlichkeitstempe
raturkompensation des Brückenausgangs mittels eines Thermistors
u. dgl. einfach zu erreichen.
Der Thermistor 3, der die Empfindlichkeitstemperaturkompen
sationsschaltung darstellt, wird durch einen Thermistor gebil
det, der eine B-Konstante im Bereich von 1400 bis 2400 K hat.
Die Temperatur-Widerstands-Eigenschaft des Thermistors 3 ist in
Fig. 6 gezeigt. Wie aus dieser Figur klar wird, ist die Eigen
schaft des Thermistors 3 ähnlich der Empfindlichkeitsänderungs
koeffizienteigenschaft der in Fig. 4 gezeigten diffundierten
Widerstandsbrückenschaltung. Insbesondere hat der Thermistor 3
einen negativen Widerstands-Temperaturkoeffizient und zeigt
einen im wesentlichen konstanten Widerstandswert im Hochtempe
raturbereich.
Das Folgende ist eine ins einzelne gehende Beschreibung
des Betriebs des Halbleiterdruckfühlers mit der vorstehend be
schriebenen Anordnung.
Unter Hinweis auf Fig. 1 liefert die Konstantstromschaltung
5 einen Strom zum Antrieb der Brückenschaltung 2 durch den Aus
gangsanschluß des Rechenverstärkers 6, und dieser Antriebs
strom wird durch die Spannung am Knotenpunkt B bestimmt, die
ihrerseits durch das Widerstandsverhältnis zwischen der Empfind
lichkeitstemperaturkompensationsschaltung 4 und dem festen
Widerstand RI 1 bestimmt wird. Andererseits fließt der durch die
Brückenschaltung 2 fließende Strom durch den festen Widerstand
RI 2 unter Hervorrufung eines Spannungsabfalls, und diese er
niedrigte Spannung wird dem negativen (-) Eingangsanschluß
des Rechenverstärkers 6 zugeführt, wodurch ein konstanter An
triebsstrom erhalten wird. Im Niedrigtemperaturbereich wird
der Spannungsabfall in der Empfindlichkeitstemperaturkompensa
tionsschaltung 4 durch den Betrieb des Thermistors 3 gestei
gert, so daß der der Brückenschaltung 2 zugeführte Strom ver
ringert wird.
Der Betrieb des Halbleiterdruckfühlers gemäß der Erfin
dung wird weiter im einzelnen anhand der Fig. 7 beschrieben.
Der Antriebsstrom, der der Brückenschaltung 2 von der Kon
stantstromschaltung 5 zugeführt wird, zeigt einen negativen
Änderungskoeffizienten im Niedrigtemperaturbereich, wie durch
die Kurve A in dieser Figur gezeigt ist. Andererseits zeigen
die diffundierten Widerstände, die in Kombination die Brücken
schaltung 2 bilden, einen positiven Empfindlichkeitsänderungs
koeffizienten im Niedrigtemperaturbereich, wie schon beschrie
ben wurde, und der Brückenausgang ändert sich daher, wie durch
die Kurve B gezeigt ist. Diese Ausgangscharakteristiken A und B
heben sich gegenseitig auf, so daß eine Ausgangseigenschaft
erhalten wird, deren Änderungskoeffizient über einen weiten
Temperaturbereich von -40°C bis 120°C im wesentlichen Null ist,
wie durch die Kurve C in dieser Figur gezeigt ist. Es ist zu
bemerken, daß die Kurve B in dieser Figur die Ausgangseigen
schaft zeigt, die gemessen wurde, wenn der Antriebsstrom auf
1 mA eingestellt wurde.
Fig. 8 zeigt die Empfindlichkeitsänderungs-Koeffizient
eigenschaft des Brückenausgangs in dem Fall, wo die B-Konstante
des Thermistors 3 in der Konstantstromschaltung 5 variabel ge
ändert wurde. Wie aus der Figur ersichtlich, kann, wenn die
B-Konstante des Thermistors 3 im Bereich von 1400 K bis 2400 K
ist, der Empfindlichkeitsänderungskoeffizient des Brückenaus
gangs innerhalb ± 0,3% über den Temperaturbereich von -40°C
bis 120°C unterdrückt werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar wird, ist es
gemäß der Erfindung möglich, einen Halbleiterdruckfühler mit
einer ausgezeichneten Ausgangscharakteristik herzustellen, die
eine Niedrighaltung des Empfindlichkeitstemperaturkoeffizienten
innerhalb ± 0,3% über einen weiten Temperaturbereich von -40°C
bis 120°C ermöglicht.
Claims (2)
1. Halbleiterdruckfühler mit
einem elastischen Siliziumeinkristallsubstrat (20), dessen Oberflächenspannung sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck ändert,
einem Dehnungsmesser (1), der aus einer an der Oberfläche des Substrats (20) gebildeten P-Diffusionsschicht besteht,
einer den Dehnungsmesser (1) enthaltenden Brückenschaltung (2),
einer Konstantstromschaltung (5) zum Zuführen eines An triebsstromes zur Brückenschaltung (2) und
einer Verstärkerschaltung (7) zum Verstärken des Brücken ausgangs von den Ausgangsanschlüssen (D und E) der Brücken schaltung (2) zur Bildung eines Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß der die Brückenschaltung (2) bildende Dehnungsmesser (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4), die jeweils durch diffundierte Widerstandsschichten mit einer Oberflächenverunreinigungs konzentration gebildet sind, die im Bereich von 2,3 × 1018 bis 2,5 × 1018 Atomen/cm3 eingestellt ist, und
einen in der Konstantstromschaltung (5) eingefügten Ther mistor (3) aufweist, der eine Temperatur-Widerstands- Eigenschaft hat, die im wesentlichen gleich dem Temperatur änderungskoeffizient der diffundierten Widerstandsschichten (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4) ist, welche Eigenschaften so ein gestellt sind, daß sie einander aufheben und damit eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit bewirkt wird.
einem elastischen Siliziumeinkristallsubstrat (20), dessen Oberflächenspannung sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck ändert,
einem Dehnungsmesser (1), der aus einer an der Oberfläche des Substrats (20) gebildeten P-Diffusionsschicht besteht,
einer den Dehnungsmesser (1) enthaltenden Brückenschaltung (2),
einer Konstantstromschaltung (5) zum Zuführen eines An triebsstromes zur Brückenschaltung (2) und
einer Verstärkerschaltung (7) zum Verstärken des Brücken ausgangs von den Ausgangsanschlüssen (D und E) der Brücken schaltung (2) zur Bildung eines Ausgangssignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß der die Brückenschaltung (2) bildende Dehnungsmesser (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4), die jeweils durch diffundierte Widerstandsschichten mit einer Oberflächenverunreinigungs konzentration gebildet sind, die im Bereich von 2,3 × 1018 bis 2,5 × 1018 Atomen/cm3 eingestellt ist, und
einen in der Konstantstromschaltung (5) eingefügten Ther mistor (3) aufweist, der eine Temperatur-Widerstands- Eigenschaft hat, die im wesentlichen gleich dem Temperatur änderungskoeffizient der diffundierten Widerstandsschichten (RG 1, RG 2, RG 3 und RG 4) ist, welche Eigenschaften so ein gestellt sind, daß sie einander aufheben und damit eine Temperaturkompensation der Empfindlichkeit bewirkt wird.
2. Halbleiterdruckfühler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die B-Konstante des Thermistors (3) so gewählt ist, daß
sie in den Bereich von 1400 K bis 2400 K fällt.
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