DE10152882B4

DE10152882B4 - Halbleiterdrucksensor mit Signalprozessorschaltkreis

Info

Publication number: DE10152882B4
Application number: DE10152882A
Authority: DE
Inventors: Inao Kariya Toyoda; Yasutoshi Kariya Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2021-10-27
Also published as: DE10152882A1; US6615668B2; FR2816053A1; JP2002131161A; US20020050172A1; FR2816053B1

Abstract

Halbleiterdrucksensor mit:
einem Halbleitersubstrat (10), das eine (110)-Flächenorientierung aufweist;
einem auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildeten Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) zum Ausgeben eines elektrischen Signals (Vout) in Übereinstimmung mit einem daran angelegten Druck; und
einem Signalprozessorschaltkreis (14), der auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildete CMOS-Elemente beinhaltet, zur Verarbeitung des von dem Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) ausgegebenen elektrischen Signals (Vout), wobei der Signalprozessorschaltkreis (14) eine Verstärkerschaltung (15) beinhaltet, die eine Eingabeschaltung aufweist, die aus einem Paar von Transistoren (15a, 15b) zum Eingeben des von dem Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) ausgegebenen elektrischen Signals (Vout) in die Verstärkerschaltung (15) zusammengesetzt ist, wobei das Paar von Transistoren (15 und 15b) so auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist, dass Strom zwischen einer Source (S) und einem Drain (D) von beiden Transistoren (15a, 15b) in die selbe Richtung fließt, wobei
das Paar von Transistoren (15a, 15b), die die Eingabeschaltung des Verstärkers (15) bilden, so...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, der zusammen mit einer Schaltung zur Verarbeitung von Signalen von dem Drucksensor auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Im Allgemeinen ist es bei einem Halbleiterdrucksensor notwendig die durch Schwankungen im Herstellungsprozess oder andere Faktoren verursachten Ausgabefehler zu kalibrieren. Die Kalibrierung wird in einem Signalprozessorschaltkreis durchgeführt, der mit einem Erfassungselement verbunden ist. Ein Beispiel für die Ausgangssignalkalibrierung ist in dem Artikel ”DSP-BASED CMOS MONOLITHIC PRESSURE SENSOR FOR HIGH VOLUME MANUFACTURING” auf den Seiten 362 bis 365 von ”Transducers '99, 7. bis 10. Juni, 1999, Sendai, Japan” offenbart. Dieser Artikel lehrt, Sensorausgaben digital zu kalibrieren und einen Betrag der Kalibrierung in einem auf dem Chip befindlichen Permanentspeicher zu speichern.
Die Nutzung von CMOS Elementen in einem Signalprozessorschaltkreis für einen Halbleiterdrucksensor ist bekannt, wie es in der JP 08-64 693 A der JP 07-326 771 A offenbart ist. Die CMOS-Elemente sind gewöhnlich auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet, das eine (100)-Flächenorientierung aufweist, die einen niedrigen Grenzenergiepegel aufweist (nachfolgend (100)-Typ-Substrat genannt), wie es in dem Buch ”Semiconductor Device – Basic Theory and Process Technology” (Erstveröffentlichung 1987, 6. Auflage 1992 auf Seite 205) gelehrt wird. Es ist allgemein bekannt, einen Halbleitersensor kompakt herzustellen, indem der Signalprozessorschaltkreis, welche die CMOS-Elemente enthält, auf einem Chip zusammen mit dem Sensorelement ausgebildet wird.
Andererseits weist die JP 04-119 672 A darauf hin, dass der auf dem (100)-Typ-Substrat ausgebildete Drucksensor ungenau ist, da durch Wärmebelastung auf einer Membran eine Gegenspannung erzeugt wird und die Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung nicht linear ist. Darüber hinaus weist sie darauf hin, dass die Gegenspannung aufgrund der Wärmebelastung bei der Herstellung eines Einzeltypdrucksensors verringert werden kann, indem ein eine (110)-Flächenorientierung aufweisendes Siliziumhalbleitersubstrat verwendet wird.
Jedoch besteht ungeachtet der verschiedenen Hinweise im Stand der Technik weiterhin das Problem der Ausgabefehler bei einem Halbleiterdrucksensor.
Aus der US 4 618 397 A ist ein Halbleiterdrucksensor bekannt, mit einem Halbleitersubstrat, das eine (100)-Flächenorientierung aufweist, einem auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Druckerfassungselement zum Ausgeben eines elektrischen Signals in Übereinstimmung mit einem daran angelegten Druck, und einem Signalprozessorschaltkreis, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete Bipolartransistoren beinhaltet, zur Verarbeitung des von dem Druckerfassungselement ausgegebenen elektrischen Signals, wobei der Signalprozessorschaltkreis eine Verstärkerschaltung beinhaltet, die eine Eingabeschaltung aufweist, die aus einem Paar von Transistoren zusammengesetzt ist, wobei das Paar von Transistoren so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, dass Strom zwischen einer Basis und einem Emitter von beiden Transistoren in die selbe Richtung fließt.
Aus der US 5 296 730 A ist ein Halbleiterdrucksensor bekannt, mit einem Halbleitersubstrat, das eine (110)-Flächenorientierung aufweist, und einem Paar von Transistoren.
Aus der JP 03-284 871 A ist ein Halbleiterdrucksensor bekannt, mit einem Halbleitersubstrat, das eine (110)-Flächenorientierung aufweist, einem auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Druckerfassungselement zum Ausgeben eines elektrischen Signals in Übereinstimmung mit einem daran angelegten Druck, und einem Signalprozessorschaltkreis, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete CMOS-Elemente beinhaltet, zur Verarbeitung des von dem Druckerfassungselement ausgegebenen elektrischen Signals, wobei der Signalprozessorschaltkreis eine Verstärkerschaltung beinhaltet, die eine Eingabeschaltung aufweist, die aus einem Paar von Transistoren zum Eingeben des von dem Druckerfassungselement ausgegebenen elektrischen Signals in die Verstärkerschaltung zusammengesetzt ist, wobei das Paar von Transistoren so auf einem Halbleitersubstrat mit einer (100)-Flächenausrichtung angeordnet ist, dass Strom zwischen einer Source und einem Drain von beiden Transistoren in die selbe Richtung fließt.
Aus der JP 07-326 771 A ist ein Halbleiterdrucksensor bekannt, mit einem Halbleitersubstrat, das eine (100)-Flächenorientierung aufweist, einem auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten Druckerfassungselement zum Ausgeben eines elektrischen Signals in Übereinstimmung mit einem daran angelegten Druck, und einem Signalprozessorschaltkreis, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete CMOS-Elemente beinhaltet, zur Verarbeitung des von dem Druckerfassungselement ausgegebenen elektrischen Signals, wobei der Signalprozessorschaltkreis eine Verstärkerschaltung beinhaltet, die eine Eingabeschaltung aufweist, die aus einem Paar von Transistoren zum Eingeben des von dem Druckerfassungselement ausgegebenen elektrischen Signals in die Verstärkerschaltung zusammengesetzt ist, wobei das Paar von Transistoren so auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, dass Strom zwischen einer Source und einem Drain von beiden Transistoren in die selbe Richtung fließt.
Aus der EP 0 567 075 A2 ist es bekannt, eine Membran in einer achteckigen ebenen Form auszubilden.
Aus der EP 0 482 487 B1 ist es bekannt, eine Kompensation eines Ausgangssignals eines Halbleiterdrucksensors mittels Informationen aus einem nicht flüchtigen Speicher durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des oben erwähnten Problems geschaffen und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, einen verbesserten Halbleiterdrucksensor zu schaffen, der eine hohe Erfassungsgenauigkeit aufweist, indem eine nachteilige Beeinflussung der Sensorausgangsspannung durch die Wärmebelastung minimiert wird.
Die Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Halbleiterdrucksensor ist aus einem Druckerfassungselement und einem Signalprozessorschaltkreis zusammengesetzt, die beide auf einem eine (110)-Flächenorientierung aufweisenden Halbleitersubstrat ((110)-Typ-Substrat genannt) ausgebildet sind. Das Druckerfassungselement beinhaltet eine Membran und vier Dehnungsmessstreifen, die auf der Membran ausgebildet sind. Die Membran wird im Ansprechen auf einen daran angelegten Druck deformiert und die Membrandeformation wird durch die Dehnungsmessstreifen in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die auf dem Substrat als Diffusionsschicht ausgebildeten Dehnungsmessstreifen sind derart verbunden, dass sie eine Wheatstone-Brücke ausbilden. An die Brücke wird eine Konstantspannung als Eingangsspannung angelegt und sie gibt ein dem zu messenden Druck entsprechendes Spannungssignal aus.
Der Signalprozessorschaltkreis zur Verarbeitung der Ausgangsspannung des Erfassungselements beinhaltet CMOS-Elemente oder Bi-CMOS-Elemente. Der Signalprozessorschaltkreis weist einen Verstärker zur Verstärkung der Ausgangsspannung des Erfassungselements auf. Die Ausgangsspannung wird von seiner Eingangsschaltung, die aus einem Paar von Transistoren zusammengesetzt ist, in den Verstärker eingegeben. Das Paar von Transistoren ist derart auf dem Substrat angeordnet, dass Strom zwischen einer Source und einer Drain in beiden Transistoren in die selbe Richtung fließt.
Vorzugsweise sind die Dehnungsmessstreifen auf dem (110)-Typ-Substrat entlang seiner <110>-Kristallachse angeordnet, und das Paar von Transistoren ist in der Verstärkereingangsschaltung derart angeordnet, dass der Source/Drain-Strom in die Richtung der <110>-Kristallachse fließt. Die Membran ist in einer achteckigen Form ausgebildet, um den Wärmebelastungseinfluss auf alle Dehnungsmessstreifen auszugleichen. Der Signalprozessorschaltkreis beinhaltet einen Permamentspeicher, in den Daten zur Einstellung der Erfassungsausgangsspannung von außen geschrieben werden.
Da das Druckerfassungselement und der Signalprozessorschaltkreis auf dem (110)-Typ-Substrat ausgebildet sind, wird der Einfluss der Wärmebelastung auf die Sensorausgaben verringert und wird dadurch der Druck mit einer hohen Genauigkeit erfasst. Da das Paar von Transistoren in der Verstärkereingabeschaltung auf dem Substrat angeordnet ist, um die Source/Drain-Stromrichtungen auszugleichen, ist es möglich, dass der Verstärker eine Erfassungsausgangsspannung mit einem niedrigen Pegel mit einer hohen Genauigkeit verstärkt. Die Temperaturabhängigkeit der Sensorausgangsspannung, die möglicherweise bei einem niedrigen Pegel existiert, wird einfach auf der Grundlage der Daten in dem Permanentspeicher eingestellt.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der illustrativ und nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht, die einen Aufbau eines Halbleiterdrucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Draufsicht, die Positionen von Dehnungsmessstreifen zeigt, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind;
3 eine Schaltung, die eine von den Dehnungsmessstreifen gebildete Brücke zeigt;
4 ein schematisches Diagramm, das einen Aufbau eines Signalprozessorschaltkreises zeigt, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
5 eine Querschnittsansicht, die eine Sensorbaugruppe zeigt, auf der der Halbleiterdrucksensor angebracht ist;
6A eine schematische Draufsicht, die die Positionen der Dehnungsmessstreifen zeigt, die auf einem (100)-Typ-Substrat ausgebildet sind;
6B eine schematische Draufsicht, die die Positionen der Dehnungsmessstreifen zeigt, die auf einem (110)-Typ-Substrat ausgebildet sind;
7A eine Grafik, die eine Wärmebelastungsverteilung in x-Richtung auf dem (100)-Typ-Substrat zeigt;
7B eine Grafik, die eine Wärmebelastungsverteilung in y-Richtung auf dem (100)-Typ-Substrat zeigt;
7C eine Grafik, die eine Wärmebelastungsverteilung in x-Richtung auf dem (110)-Typ-Substrat zeigt; und
8A und 8B eine schematische Darstellung, die Kristallachsenrichtungen auf dem (100)-Typ-Substrat zeigt.
Zunächst wird mit Bezug auf die 6A bis 6B und 7A bis 7C ein allgemeines Konzept der vorliegenden Erfindung erläutert. Der Wärmebelastungseinfluss auf die Sensorausgangsspannung eines Membransensors, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, das eine (100)-Flächenorientierung aufweist (nachstehend als (100)-Typ-Substrat bezeichnet) und bei einem Membransensor, der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, das eine (110)-Flächenorientierung aufweist (nachstehend als (110)-Typ-Substrat bezeichnet), wird untersucht.
Die 6A und 6B zeigen Positionen von Dehnungsmessstreifen Ra, Rb, die jeweils auf dem (100)-Typ-Substrat und auf dem (110)-Typ Substrat ausgebildet sind. Die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb sind auf einer quadratischen Membran 12 ausgebildet. Eine Linie A-A' in 6A und eine Linie C-C' in 6B zeigen jeweils die x-Richtung an. Eine Linie B-B' in 6A zeigt die y-Richtung an, die senkrecht auf der x-Richtung steht. Die Kristallachsen <110> des (100)-Typ-Substrats liegen sowohl in der x-Richtung als auch in der y-Richtung, wie es in 6A gezeigt ist. Ein Paar von Dehnungsmessstreifen Ra ist entlang der x-Richtung angeordnet und ein anderes Paar von Dehnungsmessstreifen Rb ist entlang der y-Richtung angeordnet. Andererseits liegt in dem (110)-Typ-Substrat eine <110>-Kristallachse in der x-Richtung, während eine <100>-Kristallachse in der y-Richtung liegt, wie es in 6B gezeigt ist. Alle Dehnungsmessstreifen Ra und Rb sind in x-Richtung angeordnet, da die Empfindlichkeit in x-Richtung in dem (110)-Typ-Substrat viel höher ist als in y-Richtung.
Sowohl bei den (100)-Typ- als auch bei den (110)-Typ-Substraten ist eine Brückenschaltung mittels einem Paar von Dehnungsmessstreifen Ra und einem Paar von Dehnungsmessstreifen Rb ausgebildet. Beim (100)-Typ-Substrat werden eine Widerstandsänderung ΔR in jedem Messelementwiderstand R und eine Messelementausgangsspannung ΔV als eine Sensorausgabe in der folgenden Formel ausgedrückt, wobei eine Richtung des Stroms I, der in jedem Messelement Ra, Rb fließt, x ist, eine x-Richtungskomponente der angelegten Spannung σx ist, eine y-Richtungskomponente der angelegten Spannung σy ist, ein Koeffizient des piezoelektrischen Widerstands π44 ist, eine Widerstandsänderung von Ra ΔRa ist und eine Widerstandsänderung von Rb ΔRb ist: ΔR = (1/2)·R(σx – σy)·π44 ΔV = (1/2)·(ΔRa – ΔRb)·I
Bei dem (110)-Typ-Substrat werden ΔR und ΔV in den folgenden Formeln ausgedrückt: ΔR = (1/2)·R·σx·π44 ΔV = (1/2)·(ΔRa – ΔRb)·I
Die Verteilungen der Wärmespannung werden mit Bezug auf 7A, 7B und 7C beschrieben. Die Wärmespannung in x-Richtung des (100)-Typ-Substrats ist in 7A gezeigt, die Wärmespannung in y-Richtung des (100)-Typ-Substrats ist in 7B gezeigt, und die Wärmespannung in x-Richtung des (110)-Typ-Substrats ist in 7C gezeigt.
Wie es in 7A zu sehen ist, ist die Wärmespannung σx in x-Richtung des (100)-Typ Substrats an beiden Enden der Membran 12 hoch, während die Wärmespannung σy in y-Richtung in dem mittleren Abschnitt hoch und an beiden Enden niedrig ist. Eine Differenz zwischen σx und σy (σx – σy), die eine Fehlerkomponente der Wärmebelastung in den Messelementen Ra darstellt, ist ein positiver Wert. Andererseits ist, wie es in 7B zu sehen ist, die Wärmebelastung σx in y-Richtung des (100)-Typ-Substrats in dem mittleren Abschnitt hoch und an beiden Enden der Membran 12 niedrig, während die Wärmebelastung σy in y-Richtung in dem mittleren Abschnitt niedrig ist und an beiden Enden hoch ist. Eine Differenz zwischen σx und σy (σx – σy), die eine Fehlerkomponente der Wärmebelastung in den Messelementen Rb darstellt, ist ein negativer Wert.
Wie es zuvor beschrieben worden ist, ist bei dem (100)-Typ-Substrat die Fehlerkomponente der Wärmebelastung in den Messelementen Ra ein positiver Wert und in den Messelementen Rb ein negativer Wert. Daher werden beide Fehlerkomponenten in der vorhergehenden Formel zur Berechnung der Messelementausgangsspannung ΔV addiert. Das bedeutet, dass die Fehlerkomponenten in beiden Messelementen Ra und Rb, die auf dem (100)-Typ-Substrat ausgebildet sind, in höherem Maße die Messelementausgangsspannung nachteilig beeinflussen.
Dagegen ist beim (110)-Typ-Substrat die Verteilung der Wärmebelastungfehlerkomponente σx in x-Richtung im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Messelemente Ra und Rb, wie es in 7C zu sehen ist. Daher beeinflusst nur eine kleine mögliche Differenz zwischen Fehlerkomponenten in den Messelementen Ra und Rb die Messelementausgangsspannung ΔV. Das bedeutet, dass der Einfluss der Wärmebelastung auf die Messelementausgangsspannung in dem (110)-Typ-Substrat kleiner ist als in dem (100)-Typ-Substrat.
Jedoch wurde in dem herkömmlichen Halbleiterdrucksensor das (100)-Typ-Substrat verwendet, da seine Grenzladungsdichte, die einen Faktor für das Einschließen von Störstellenatomen darstellt und funktionelle Schwankungen in den Elementen verursacht, unter verschiedenen Typen von Substraten die niedrigste ist. In dem Buch ”Grove's Fundamentals of Semiconductor Devices” (auf Seite 382, geschrieben von Andrew S. Grove, übersetzt von S. Tarui, veröffentlicht 1992 von McGraw-Rill in der siebten Auflage), wird gelehrt, dass ein Verhältnis der Grenzladungsdichte bei drei Typen von Substraten: (111):(110):(100) = 3:2:1 ist. Das bedeutet, dass die Grenzladungsdichte des (110)-Typ-Substrats zweimal höher ist als die des (100)-Typ-Substrats.
Trotz der obigen Lehre wurde herausgefunden, dass das (110)-Typ-Substrat vermutlich als ein Substrat des Drucksensors verwendet werden kann, indem neue Herstellungsverfahren verwendet werden. Der Halbleiterdrucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf einem (110)-Typ-Substrat ausgebildet, um dessen in der zuvor beschriebenen Untersuchung herausgefundenen Vorzug zu nutzen, das heißt, dass der Wärmebelastungseinfluss auf die Sensorausgänge niedrig ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 5 beschrieben. Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Membrantypdrucksensor S1 gemäß der vorliegenden Erfindung auf dem (110)-Typ-Siliziumsubstrat 10 ausgebildet. Das Substrat 10 ist ein durch Diffusion von Phosphor (P) in Silizium (Si) hergestelltes N-Typ-Halbleitersubstrat. Das Substrat 10 ist ein rechteckig geformter Chipausschnitt von einem größeren Substrat, wie es in 2 gezeigt ist. Ein Hohlraum 11 ist auf der Rückseite des Substrats 10 (die Bodenseite in 1) mittels anisotropen Ätzens unter Verwendung einer alkalischen Lösung ausgebildet. Ein durch den Hohlraum 11 dünn ausgebildeter Abschnitt des Substrats 10 dient als Membran 12, die abhängig von einem auf der Vorderseite des Substrats 10 angelegten Druck deformiert wird. Dehnungsmessstreifen Ra, Rb, die die Membrandeformation in elektrische Signale umwandeln, sind auf der Vorderseite (die Oberseite in 1) des Substrats 10 ausgebildet. Die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb bilden zusammen mit der Membran 12 ein Druckerfassungselement.
Eine P-Typ-Diffusionsschicht, die durch Diffusion von Bor (B) oder dergleichen in Silizium (Si) hergestellt ist, bildet die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb. Die Form der Membran 12 ist in der Draufsicht achteckig, wie es in 2 gezeigt ist. Diese achteckige Membran 12 ist durch zu den Kristallachsen <100>, <110> und <111> senkrechte Seiten definiert, wie es in der JP 04-119 672 A beschrieben ist.
Dehnungsmessstreifen Ra, Rb sind bezüglich der Kristallachsen auf dieselbe Weise angeordnet, wie es in 6B gezeigt ist. Das heißt, vier Dehnungsmessstreifen Ra, Rb sind entlang der Kristallachsen <110> angeordnet, die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, wie es in 2 gezeigt ist. Die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb sind so verbunden, dass sie eine Wheatstone-Brücke bilden, wie es in 3 gezeigt ist. Jeder Dehnungsmessstreifen ist ein Widerstandselement und der Widerstand der Messelemente Ra, die an einem Rand der Membran angeordnet sind, verändert sich im Ansprechen auf eine angelegte Belastung in eine andere Richtung als der der Messelemente Rb, die in einem Mittenabschnitt der Membran 12 angeordnet sind.
Eine konstante Gleichspannung V wird zwischen beiden Eingangsanschlüssen Ia und Ib der Wheatstone-Brücke angelegt, wie es in 3 gezeigt ist. Der Widerstand der Messelemente Ra, Rb verändert sich in Übereinstimmung mit einem Verformungsbetrag der Membran 12, der durch den angelegten Druck verursacht wird, und es tritt eine Sensorausgangsspannung Vout zwischen den Ausgangsanschlüssen Pa und Pb in Abhängigkeit von dem angelegten Druck auf.
Ein Signalprozessorschaltkreis 14, der CMOS-Transistoren 13 beinhaltet, ist auf der Vorderseite des Substrats 10 ausgebildet, wie es in 1 gezeigt ist. Der Signalprozessorschaltkreis 14 legt die konstante Spannung V an die Wheatstone-Brücke an und verarbeitet (verstärkt, kalibriert, etc.) die Sensorausgangsspannung Vout. Die CMOS-Transistoren 13 sind aus NMOS-Transistoren oder PMOS-Transistoren zusammengesetzt. Solche Transistoren werden durch eine Diffusion von Störstellen, wie z. B. Bor oder Phosphor, in Silizium und durch Ausbilden von Polysilizium-Gates G in einem bekannten Herstellungsverfahren hergestellt. Widerstände und Kapazitäten, die den Signalprozessorschaltkreis 14 zusammen mit den CMOS-Transistoren 13 bilden, sind ebenso auf der Vorderseite des Substrats 10 ausgebildet.
Der Signalprozessorschaltkreis 14 beinhaltet ebenso einen Permamentspeicher, wie z. B. ein EPROM, in den Daten von außen geschrieben werden. Die Ausgangssignale des Druckerfassungselementes werden auf der Grundlage der in den Permamentspeicher geschriebenen Daten kalibriert oder eingestellt. Insbesondere Empfindlichkeit, Gegenspannung, Temperaturcharakteristik, Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung des Erfassungselements und dergleichen werden auf der Grundlage der in den Permanentspeicher geschriebenen Daten kalibriert oder eingestellt.
Wie es in 4 gezeigt ist, ist ein Transistorenpaar 15a, 15b, das eine Eingangsschaltung eines Differenzverstärkers 15 in dem Signalprozessorschaltkreis 14 bildet, in besonderer Weise angeordnet. Das heißt, diese Transistoren sind derart angeordnet, dass ein Strom zwischen einer Drain D und einer Source S jedes Transistors in die gleiche Richtung fließt. Die Sensorausgangsspannung Vout, die an den Differenzverstärker 15 angelegt wird, wird darin verstärkt und anschließend an einen Signalprozessor 16 angelegt.
Der Signalprozessor 16 gibt ein endgültiges Ausgangssignal aus, nachdem die Sensorausgangsspannung eingestellt oder kalibriert worden ist.
In einem in 4 gezeigten Beispiel des Differenzverstärkers 15 sind beide die Eingangsschaltung bildenden Transistoren 15a und 15b N-Kanal-Transistoren. Beide Transistoren 15a, 15b sind so auf dem Substrat 10 angeordnet, dass eine Stromrichtung zwischen der Source S und dem Drain D in jedem Transistor parallel zu der Kristallachse <110> ist. Beide Transistoren 15a, 15b können so angeordnet werden, dass der Source/Drain-Strom jedes Transistors parallel zu einer anderen Kristallachse <100> fließt, solange beide Richtungen des Source/Drain-Stroms gleich sind. Beide Transistoren 15a, 15b können P-Kanal-Transistoren sein.
Bezugnehmend auf 1 sind eine Gate-Oxidationsschicht 17 zur Isolation der Diffusionsschicht der CMOS-Transistoren 13 von den Gates G, eine aus Siliziumdioxid hergestellte Isolationsschicht 18 zur Isolation verschiedener Komponenten des Prozessorschaltkreises 14 und eine aus Siliziumnitrid hergestellte Schutzschicht 19 zum Bedecken des Äußeren des Drucksensors S1 in dieser Reihenfolge auf die Vorderseite des Substrats 10 geschichtet. In der Schutzschicht 19 ist eine Öffnung ausgebildet und in der Öffnung ist eine Anschlussfläche 20 aus Aluminium oder dergleichen ausgebildet. Der Signalprozessorschaltkreis 14 ist mit einem äußeren Schaltkreis über die Anschlussfläche 20 durch Drahtbonden verbunden. Ein Glassubstrat 21 ist auf die Rückseite des Substrats 10 geklebt, um den Hohlraum 11, in dem Vakuum herrscht, hermetisch abzuschließen.
Der zuvor beschriebene Halbleiterdrucksensor S1 wird unter Verwendung bekannter Herstellungsverfahren hergestellt. Der so hergestellte Halbleiterdrucksensor S1 wird in ein Gehäuse 30 eingebaut, das eine Sensorbaugruppe ausbildet, wie es in 5 gezeigt ist. Das Gehäuse 30 ist aus einem Material, wie z. B. Kunstharz, hergestellt und ein Anschluss zum elektrischen Verbinden des Drucksensors S1 mit einem äußeren Schaltkreis wird in dem Gehäuse 30 in einem Gussverfahren eingebettet. Der Drucksensor S1 wird mittels des Glassubstrats 21 auf eine Innenfläche des Gehäuses 30 geklebt. Die Anschlussfläche 20 und der Anschluss 31 sind mittels eines Anschlussdrahts 32 verbunden. Ein druckeinführendes Röhrchen 33, durch welches ein zu messender Druck in das Gehäuse 30 eingeführt wird, ist einstückig mit dem Gehäuse 30 ausgebildet. Das Gehäuse 30 kann in zwei Abschnitte geteilt sein, um den Drucksensor S1 einfach auf einen Abschnitt zu montieren und die zwei Abschnitte wieder zusammenzusetzen.
Der in die Sensorbaugruppe eingeführte Druck wird an die Membran 12 des Drucksensors S1 angelegt. Die Membran 12 wird durch den angelegten Druck verformt, und die Verformung wird durch die Dehnungsmessstreifen Ra, Rb in ein elektrisches Spannungssignal Vout umgewandelt. Das Spannungssignal Vout wird in dem Signalprozessorschaltkreis 14 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird durch den Anschluss 31 als ein den erfassten Druck darstellendes Signal ausgegeben.
Wie es zuvor beschrieben worden ist, ist das Druckerfassungselement, das aus der Membran 12 und den Dehnungsmessstreifen Ra, Rb zusammengesetzt ist, auf dem (110)-Typ-Halbleitersubstrat 10 ausgebildet (nicht auf dem (100)-Typ-Substrat). Der Signalprozessorschaltkreis 14, der MOS-Elemente 13 beinhaltet, ist ebenso auf dem gleichen Substrat 10 ausgebildet. Das heißt, das Druckerfassungselement und der Signalprozessorschaltkreis sind einstückig auf dem gleichen (110)-Typ-Substrat ausgebildet. Dementsprechend kann der Halbleiterdrucksensor S1 mit niedrigen Kosten kompakt hergestellt werden.
Da das (110)-Typ-Substrat verwendet wird, ist der Wärmebelastungseinfluss auf das Sensorausgangssignal merklich niedriger als der Einfluss auf den herkömmlichen Sensor, der das (100)-Typ-Substrat verwendet. Da her sind die Erfassungsfehler aufgrund von thermischer Belastung klein und können die Sensorausgangssignale in dem Signalprozessorschaltkreis 14 einfach eingestellt oder kalibriert werden. Insbesondere erscheint der Einfluss der Wärmebelastung als eine Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung. Das Unterdrücken des Wärmebelastungseinflusses resultiert in einer Verringerung der Temperaturabhängigkeit der Gegenspannung. Dementsprechend ist die benötigte Ausgangseinstellung des Drucksensors der vorliegenden Erfindung klein.
Ferner ist eine Nichtlinearität einer Gegenspannung bezüglich der Temperatur (eine sekundäre Komponente der Temperaturabhängigkeit) ebenso bei dem Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit der Nichtlinearität des herkömmlichen Drucksensors merklich verringert. Daher ist es nicht notwendig, die Nichtlinearität zu kalibrieren. Wenn eine solche Kalibrierung benötigt wird, muss der Signalprozessorschaltkreis 14 verfeinert werden. Bei dem Drucksensor der vorliegenden Erfindung werden genaue Sensorausgaben nur durch Einstellung einer kleinen Temperaturabhängigkeit (einer primären Komponente) der Gegenspannung verwirklicht.
Ferner kann durch eine achteckige Form der Membran 12, die durch die Seiten senkrecht auf den Kristallachsen <100>, <110> und <111> definiert wird, und durch das Optimieren eines Verhältnisses der Achteckseiten zueinander, wie es in der zuvor erwähnten JP 04-119 672 A empfohlen wird, der Wärmebelastungseinfluss weiter verringert und minimiert werden. Durch das Verändern der Form der Membran 12 von einer für gewöhnlich rechteckigen Form in eine achteckige kann die in 7C gezeigte Wärmebelastungsverteilungskurve weiter abgeflacht werden. Ent sprechend wird eine Wärmebelastungsdifferenz zwischen zwei Dehnungsmessstreifen Ra und Rb kleiner und kann der Wärmebelastungseinfluss verringert werden.
Die Eingangsschaltung des in 4 gezeigten Differenzverstärkers 15 ist aus einem Transistorenpaar 15a, 15b zusammengesetzt und beide Transistoren 15a, 15b sind so angeordnet, dass der Source/Drain-Strom in beiden Transistoren in dieselbe Richtung fließt. Der Grund für die Anordnung beider Transistoren 15a und 15b auf diese Weise wird nachstehend erläutert. Die Ausgangssignalspannungen der Dehnungsmessstreifen müssen verstärkt werden, da ihr Pegel sehr niedrig ist. Der Differenzverstärker 15 muss eine hohe Genauigkeit aufweisen, um die Spannung eines sehr niedrigen Pegels zu verstärken.
Wenn ein Halbleiterchip T1 von einem (100)-Typ-Wafer entlang seiner <110>-Kristallachse herausgeschnitten wird, wie es in 8A gezeigt ist, werden die Kristallachsenrichtungen entlang beider Seiten ebenso parallel zu der <110>-Achse. In diesem Fall können die Transistoren beide auf diesem Chip T1 entlang der x-Seite oder entlang der y-Seite angeordnet werden, ohne einen Kristallachsenrichtungsunterschied zwischen beiden Transistoren 15a und 15b zu verursachen. Dasselbe trifft auf einen Chip T1 zu, der aus einem (100)-Typ-Wafer entlang seiner Kristallachse <100> herausgeschnitten wird, wie es in 8a gezeigt ist. jedoch wird der in der vorhergehenden Ausführungsform verwendete Halbleiterchip aus dem (110)-Typ-Wafer herausgeschnitten, so dass die x-Seiten-Kristallachsenrichtung parallel zu der <110>-Achse und die y-Seiten-Kristallachsenrichtung parallel zu der <100>-Achse ist, wie es in 2 gezeigt ist. Anders ausgedrückt sind die Kristallachsen in x- und y- Richtung in diesem Fall nicht gleich. Der Koeffizient des piezoelektrischen Widerstands verschiebt sich abhängig von der Richtung der Kristallachsen. Daher ist es nicht sichergestellt, dass ein Transistorenpaar zueinander passt, wenn beide Transistoren 15a und 15b auf dem Chip in verschiedenen Richtungen in Bezug auf die Kristallachsen angeordnet sind. Wenn das Zueinanderpassen des Transistorenpaars, das die Eingabeschaltung des Verstärkers 15 bildet, nicht sichergestellt ist, erhöhen sich die Sensorausgangsfehler (die Gegenspannung). Um ein gutes Zueinanderpassen des Paars von Transistoren 15a und 15b in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sicherzustellen, sind diese so angeordnet, dass die Stromflussrichtungen zwischen der Source S und dem Drain D der beiden Transistoren in Bezug auf die Kristallachsen gleich sind. Auf diese Weise verstärkt der Verstärker 15 ein Signal eines niedrigen Pegels mit einer hohen Genauigkeit.
Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung der Permanentspeicher in dem Signalprozessorschaltkreis 14 enthalten. Daten zur Einstellung der Sensorsignale können auch, nachdem die Sensorbaugruppe fertig gestellt ist, von außen in den Permanentspeicher geschrieben werden. Dementsprechend können Sensorsignalfehler aufgrund der Schwankungen in dem Herstellungsverfahren auf der Grundlage der in den Permanentspeicher geschriebenen Daten einfach korrigiert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene Art und Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann der Signalprozessorschaltkreis 14 aus einer Bi-CMOS-Schaltung zusammengesetzt sein, die Bipolar-Transistoren und CMOS-Transistoren beinhaltet.

Claims

Halbleiterdrucksensor mit: einem Halbleitersubstrat (10), das eine (110)-Flächenorientierung aufweist; einem auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildeten Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) zum Ausgeben eines elektrischen Signals (Vout) in Übereinstimmung mit einem daran angelegten Druck; und einem Signalprozessorschaltkreis (14), der auf dem Halbleitersubstrat (10) ausgebildete CMOS-Elemente beinhaltet, zur Verarbeitung des von dem Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) ausgegebenen elektrischen Signals (Vout), wobei der Signalprozessorschaltkreis (14) eine Verstärkerschaltung (15) beinhaltet, die eine Eingabeschaltung aufweist, die aus einem Paar von Transistoren (15a, 15b) zum Eingeben des von dem Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) ausgegebenen elektrischen Signals (Vout) in die Verstärkerschaltung (15) zusammengesetzt ist, wobei das Paar von Transistoren (15 und 15b) so auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist, dass Strom zwischen einer Source (S) und einem Drain (D) von beiden Transistoren (15a, 15b) in die selbe Richtung fließt, wobei das Paar von Transistoren (15a, 15b), die die Eingabeschaltung des Verstärkers (15) bilden, so auf dem Halbleitersubstrat (10) angeordnet ist, dass Strom zwischen einer Source (S) und einem Drain (D) der beiden Transistoren (15a, 15b) in eine Richtung parallel zu einer <110>-Kristallachse des Halbleitersubstrats (10) fließt.
Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckerfassungselement eine Membran (12), die im Ansprechen auf den daran angelegten Druck verformt wird, und Dehnungsmessstreifen (Ra, Rb) beinhaltet, die als eine Diffusionsschicht auf der Membran (12) ausgebildet sind, wobei die Dehnungsmessstreifen (Ra, Rb) die Membranverformung in das elektrische Signal (Vout) umwandeln.
Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (12) eine achteckige ebene Form aufweist.
Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalprozessorschaltkreis (14) Bi-CMOS-Schaltungen beinhaltet.
Halbleiterdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalprozessorschaltkreis (14) einen Permanentspeicher beinhaltet, in den von außen Daten geschrieben werden, und das von dem Druckerfassungselement (12, Ra, Rb) ausgegebene elektrische Signal (Vout) auf der Grundlage der in den Permanentspeicher geschriebenen Daten eingestellt wird.