FR2852102A1 - Capteur de pression a semiconducteur ayant une membrane - Google Patents

Abstract

Un capteur de pression à semiconducteur comprend un substrat semiconducteur (10) ayant une membrane (30) destinée à recevoir une pression, et un circuit de pont pour détecter une déformation correspondante de la membrane (30). Le circuit de pont comprend une paire de premières résistances de jauge (41, 44) au centre de la membrane (30) et une paire de secondes résistances de jauge (42a, 43a) à la périphérie de la membrane. Chaque première résistance de jauge (41, 44) a une première valeur de résistance qui est supérieure à une seconde valeur de résistance de chaque seconde résistance de jauge (42a, 43a). La propriété du capteur concernant le décalage non linéaire en fonction de la température est améliorée, ce qui fait que le capteur a une exactitude de détection élevée.

Description

CAPTEUR DE PRESSION A SEMICONDUCTEUR AYANT UNE MEMBRANE

La présente invention concerne un capteur de pression à semiconducteur ayant une membrane.

Un capteur de pression à semiconducteur ayant une membrane (c'est-à-dire un capteur de pression à semiconducteur du type membrane) comprend une membrane et une résistance de jauge de déformation. A la fois la membrane et la résistance de jauge de déformation sont formées sur un substrat semiconducteur pour détecter une pression. Le substrat a 10 un plan principal qui est un plan cristallographique (110) (c'est-à- dire un plan (110)). Ce capteur de pression est décrit par exemple dans la publication de demande de brevet du Japon non examinée n0 2001356061 (correspondant au brevet des E.U.A. n0 6 601 452). De façon spécifique, la membrane est formée sur le plan principal du substrat, et 15 détecte une pression. La résistance de jauge de déformation est formée sur la membrane, et procure un circuit en pont pour émettre un signal détecté correspondant à une déformation de la membrane.

D'autre part, un autre capteur de pression ayant une paire de résistances de jauge centrales et une paire de résistances de jauge 20 latérales est décrit dans la publication de demande de brevet du Japon non examinée n0 H11-94666 (correspondant au brevet des E.U.A. n' 6 595 065). Dans ce capteur, les résistances de jauge de déformation, c'est-à-dire les résistances de jauge centrales et les résistances de jauge latérales, sont disposées sur le plan (110) du substrat. Les résistances de 25 jauge centrales sont disposées sur le centre de la membrane, et sont disposées le long d'un axe cristallographique <110> (c'est-à-dire un axe <110>). Les résistances de jauge latérales sont disposées sur une périphérie de la membrane.

Dans les capteurs ci-dessus, une base en verre est fixée sur le substrat en utilisant un procédé de fixation anodique ou similaire. Le coefficient de dilatation thermique du substrat est différent de celui de la base en verre. Par conséquent, lorsqu'une température dans 5 l'environnement du capteur change, une contrainte thermique est générée entre le substrat et la base en verre. La contrainte thermique peut déformer la membrane, ce qui fait que la valeur de chaque résistance disposée sur la membrane est changée en proportion de la déformation.

La contrainte thermique appliquée à chaque résistance est différente de 10 celle des autres, du fait que la résistance est disposée dans une position différente sur la membrane. De façon spécifique, la contrainte thermique appliquée à chaque résistance de jauge centrale est différente de la contrainte thermique appliquée à chaque résistance de jauge latérale. Par conséquent, une différence entre la contrainte thermique appliquée à la 15 résistance. de jauge centrale et la contrainte thermique appliquée à la résistance de jauge latérale produit une erreur de détection se manifestant comme un bruit. En outre, la différence entre les contraintes thermiques change de façon non linéaire en relation avec la température, ce qui fait que la dépendance du décalage de la tension de sortie, vis-à20 vis de la température, a une certaine courbure en relation avec la température. Par conséquent, dans la dépendance du décalage de la tension de sortie vis-à-vis de la température, une pente du décalage de la tension de sortie en relation avec la température, entre une température ambiante et une certaine température élevée, est différente de celle entre 25 une certaine température inférieure et la température ambiante. Cette différence de la pente est appelée une propriété de décalage non linéaire en fonction de la température (ou TNO pour "Temperature Non Linearity Offset"). La propriété de TNO est une propriété du décalage de la tension de sortie présentant une non- linéarité en relation avec la température. La 30 propriété de TNO est l'un des facteurs les plus importants qui influent sur l'exactitude du capteur.

En outre, lorsque la taille du capteur de pression est minimisée, c'est-àdire lorsque la taille du substrat est minimisée, on considère que la taille de la membrane doit être minimisée. Ceci vient du fait que la 35 membrane représente une grande étendue dans le capteur. Dans ce cas, la différence de la contrainte thermique entre les résistances de jauge centrales et les résistances de jauge latérales devient plus grande, ce qui fait que l'erreur de détection devient plus grande. Par conséquent, lorsque la membrane devient plus petite, la propriété de TNO devient plus 5 défavorable, c'est-à-dire que la différence de la pente devient plus grande. Par conséquent, il est difficile de minimiser la taille du capteur sans dégrader la propriété de TNO.

Compte tenu des problèmes mentionnés ci-dessus, un but de la présente invention est de procurer un capteur de pression à 10 semiconducteur ayant une exactitude de détection élevée.

Un capteur de pression à semiconducteur comprend un substrat semiconducteur ayant une membrane pour recevoir une pression, et un circuit de pont pour détecter une déformation de la membrane correspondant à la pression. Le circuit de pont comprend une paire de 15 premières résistances de jauge et une paire de secondes résistances de jauge. Les premières résistances de jauge sont disposées sur une région centrale de la membrane, et les secondes résistances de jauge sont disposées sur une périphérie de la membrane. Chaque première résistance de jauge a une première valeur de résistance supérieure à une 20 seconde valeur de chaque seconde résistance de jauge.

Dans le capteur ci-dessus, bien que la contrainte thermique appliquée à la première résistance de jauge soit différente de celle appliquée à la seconde résistance de jauge, dans un cas dans lequel la contrainte thermique est appliquée au capteur, une erreur de détection 25 correspondant à la différence entre les contraintes thermiques est compensée en commandant les valeurs des résistances de jauge centrales et latérales. Par conséquent, le capteur a une exactitude de détection élevée.

Dans des modes de réalisation préférés, on peut en outre avoir 30 recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - le circuit de pont a un rapport de valeurs de résistance prédéterminé entre la seconde valeur de résistance et la première valeur de résistance; la membrane a un autre rapport de contraintes thermiques prédéterminé entre une seconde contrainte thermique à appliquer à la 35 seconde résistance de jauge et une première contrainte thermique appliquée à la première résistance de jauge dans un cas dans lequel une contrainte thermique est appliquée au substrat; et le rapport de valeurs de résistance prédéterminé est égal au rapport de contraintes thermiques prédéterminé; - les deux contraintes thermiques à appliquer à la première résistance de jauge et à la seconde résistance de jauge sont déterminées en utilisant la méthode des éléments finis, de façon à obtenir le rapport de contraintes thermiques prédéterminé; - les premières résistances de jauge et les secondes 10 résistances de jauge sont connectées ensemble en série de façon que le circuit de pont forme un pont de Wheatstone; chaque seconde résistance de jauge comprend en outre une troisième résistance de jauge ayant une troisième valeur de résistance et disposée sur la périphérie de la membrane; les seconde et troisième résistances de jauge sont 15 connectées en série en un seul élément, de façon que les seconde et troisième résistances de jauge forment une seule résistance de jauge; et la première valeur de résistance est égale à une valeur de résistance totale des seconde et troisième résistances; - le substrat semiconducteur consiste en silicium 20 monocristallin ayant un plan principal qui est un plan cristallographique; la première résistance de jauge a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; la seconde résistance de jauge a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; et la troisième 25 résistance de jauge a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <100> du silicium monocristallin; - chaque résistance de jauge a une structure pliée constituée d'une résistance filaire, de façon que la résistance filaire soit parallèle à l'axe cristallographique <110> ou à l'axe cristallographique <100>; et la 30 membrane a une forme octogonale ayant une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <110>, une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <100>, et quatre côtés pour relier entre le côté orienté selon l'axe cristallographique <110> et le côté orienté selon l'axe cristallographique <100>; - la membrane a une longueur de 450 pm et une largeur de 450 pm; et le rapport de valeurs de résistance prédéterminé est de 0,7 - capteur comprenant en outre: une concavité formée dans le substrat de façon à définir la membrane; et une base en verre disposée sur le substrat; caractérisé en ce que le substrat comprend une première 5 surface et une seconde surface; les résistances de jauge sont disposées sur la première surface du substrat; et la base en verre est fixée sur la seconde surface du substrat de façon à définir une chambre entre la base en verre et la concavité; la chambre est fermée hermétiquement de façon que le 10 capteur fournisse un capteur de pression absolue; et les résistances de jauge sont des résistances de jauge de déformation consistant en résistances diffusées; le circuit de pont a un rapport de valeurs de résistance prédéterminé entre la seconde valeur de résistance et la première valeur 15 de résistance; la membrane a un autre rapport de contraintes thermiques prédéterminé entre une seconde contrainte thermique à appliquer à la seconde résistance de jauge et une première contrainte thermique à appliquer à la première résistance de jauge dans un cas dans lequel une contrainte thermique est appliquée au substrat; et le rapport de valeurs 20 de résistance prédéterminé est égal au rapport de contraintes thermiques prédéterminé, de façon qu'une propriété du capteur concernant un décalage non linéaire en fonction de la température soit améliorée les premières résistances de jauge et les secondes résistances de jauge sont connectées ensemble en série de façon que le 25 circuit de pont forme un pont de Wheatstone, chaque seconde résistance de jauge comprend en outre une troisième résistance de jauge ayant une troisième valeur de résistance et disposée sur la périphérie de la membrane; les secondes et troisièmes résistances de jauge sont connectées en série en un seul élément, de façon que les secondes et 30 troisièmes résistances de jauge fournissent une résistance de jauge; et la première valeur de résistance est égale à une valeur de résistance totale des secondes et troisièmes valeurs de résistance; - le substrat semiconducteur consiste en silicium monocristallin ayant un plan principal qui est un plan cristallographique; 35 la première résistance de jauge a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; la seconde résistance de jauge a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; et la troisième résistance de jauge a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <100> du silicium monocristallin; - chaque résistance de jauge a une structure pliée constituée d'une résistance filaire, de façon que la résistance filaire soit parallèle à l'axe cristallographique <110> ou à l'axe cristallographique <100>; et la membrane a une forme octogonale ayant une paire de côtés orientés 10 selon l'axe cristallographique <110>, une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <100>, et quatre côtés pour relier entre le côté orienté selon l'axe cristallographique <110> et le côté orienté selon l'axe cristallographique <100>.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 15 ressortiront davantage de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe montrant un capteur de pression à semiconducteur conforme à un mode de réalisation préféré de la présente 20 invention La figure 2 est une vue en plan montrant le capteur conforme au mode de réalisation préféré; La figure 3 est un schéma de circuit montrant un circuit de pont du capteur conforme au mode de réalisation préféré; La figure 4 est une vue en plan montrant un capteur à semiconducteur conforme à un exemple comparatif du mode de réalisation préféré; La figure 5 est un schéma de circuit montrant un circuit de pont du capteur conforme à l'exemple comparatif; et La figure 6A montre une relation entre une contrainte thermique et une position dans le capteur conformément à l'exemple comparatif, et la figure 6B est une coupe montrant le capteur conforme à l'exemple comparatif.

Les inventeurs ont étudié de façon préliminaire un capteur de 35 pression à semiconducteur de type membrane, 200, à titre de comparaison, comme représenté sur la figure 4. Le capteur de pression 200 comprend un substrat semiconducteur 10, une membrane 30, et de multiples résistances de jauge de déformation 41-44. La membrane 30 est formée sur un plan principal du substrat 10. Les résistances 41-44 sont 5 disposées sur la membrane 30. Le plan principal du substrat 10 est un plan cristallographique (110) (c'est-à-dire un plan (110)), qui est un plan cristallographique du silicium monocristallin ayant un axe cristallographique <110> (c'est-à-dire un axe <110>) et un axe cristallographique <100> (c'est-à-dire un axe <100>). L'axe <110> et l'axe 10 <100> sont une paire d'axes cristallographiques, qui sont mutuellement à angle droit, c'est-à-dire que l'axe <110> est perpendiculaire à l'axe <100>.

La sensibilité dans le cas d'une contrainte générée dans la direction de l'axe <110> est plus élevée que la sensibilité dans le cas 15 d'une contrainte générée dans la direction de l'axe <100>. Ainsi, la contrainte parallèle à l'axe <110> est détectée de manière sensible en comparaison avec la contrainte parallèle à l'axe <100>. Ceci vient du fait que le coefficient de résistance piézoélectrique dans la direction de l'axe <110> est beaucoup plus grand que celui dans la direction de l'axe 20 <100>. Par conséquent, lorsqu'une déformation dans la membrane ayant le plan <110> est mesurée de façon à détecter la pression appliquée à la membrane, il est préférable que la déformation soit mesurée en utilisant la contrainte dans la direction de l'axe <110>, et non de l'axe <100>.

Le plan (110) a un seul axe <110>, c'est-à-dire une direction 25 <110>. Par conséquent, les résistances 41-44 doivent avoir une certaine disposition représentée sur la figure 4 de façon que le signal détecté devienne plus grand, c'est-à-dire que le signal de sortie correspondant à la déformation devienne plus grand. La configuration représentée sur la figure 4 est déterminée de façon que la contrainte dans la direction de l'axe 30 <110> puisse être détectée avec une sensibilité élevée, en comparaison avec la contrainte dans la direction de l'axe <100>. De façon spécifique, la configuration est telle qu'une paire de résistances de jauge centrales 41, 44 soit disposée presque au centre de la membrane 30, et qu'une paire de résistances de jauge latérales 42, 43 soit disposée sur une 35 périphérie de la membrane 30. Chaque résistance 41-44 est disposée principalement dans la direction de l'axe <110>. Ici, les résistances de jauge centrales 41, 44 sont disposées près du centre, et les résistances de jauge latérales 42, 43 sont disposées à la périphérie, en comparaison avec les résistances de jauge centrales 41, 44. Une direction 5 longitudinale des résistances 41-44 est principalement parallèle à l'axe <110> du substrat 10.

Les quatre jauges procurent un circuit de pont pour détecter la contrainte générée dans la direction de l'axe <110>. De façon spécifique, le circuit de pont devient un pont de Wheatstone, comme représenté sur 10 la figure 5. Le pont de Wheatstone comprend les résistances 41-44. L'une des résistances de jauge centrales 41 a une valeur de résistance de RA, et l'autre résistance de jauge centrale 44 a une valeur de résistance de RD. L'une des résistances de jauge latérales 42 a une valeur de résistance de RB, et l'autre résistance de jauge latérale 43 a une valeur 15 de résistance de RC. Ces résistances 41-44 sont connectées ensemble en série, de façon que les résistances procurent un circuit fermé en forme de rectangle. Le pont de Wheatstone est ainsi établi.

Dans le circuit de pont, une paire de bornes d'entrée 45, 46 sont connectées au circuit de pont, de façon qu'un courant électrique continu 20 soit appliqué au circuit de pont. Le courant continu I circule entre les bornes 45, 46. A ce moment, lorsque la membrane 30 est déformée par la pression, les valeurs de résistance RA, RB, RC, RD sont changées conformément à la déformation de la membrane 30. Par conséquent, un potentiel de point milieu Vout entre une paire de bornes de sortie 47, 48 25 est généré. Le potentiel de point milieu Vout correspond à la déformation de la membrane 30, c'est-à-dire à la pression, de façon qu'un signal détecté pour le potentiel de point milieu Vout soit émis par les bornes de sortie 47, 48.

Dans le capteur 200 ci-dessus, la contrainte thermique 30 appliquée au substrat 10, c'est-à-dire à la membrane 30, est analysée en utilisant la méthode des éléments finis (ou MEF). De façon spécifique, on calcule la contrainte appliquée aux résistances de jauge centrales et aux résistances de jauge latérales. La figure 6 montre un résultat de calcul de la contrainte thermique a sur le substrat 10. La contrainte thermique al 35 appliquée aux résistances de jauge centrales 41, 44, disposées sur le centre de la membrane 30, est plus faible que la contrainte thermique c2 appliquée aux résistances de jauge latérales 42, 43 disposées sur la périphérie de la membrane 30.

Ici, le changement de valeur de la résistance 41-44 en relation 5 avec la contrainte thermique est pratiquement proportionnel à la valeur de la résistance 41-44. Par conséquent, on considère que les valeurs de résistance RB, RC des résistances de jauge latérales 42, 43 sont fixées de façon à être plus petites que les valeurs de résistance RA, RD des résistances de jauge centrales 41, 44, de façon que le changement de 10 valeur des résistances 42, 43 devienne égal au changement de valeur des résistances 41, 44. Par conséquent, la propriété de TNO du capteur 200 est améliorée.

Compte tenu de l'analyse ci-dessus, un capteur de pression à semiconducteur ayant une membrane (c'est-à-dire un capteur de pression 15 à semiconducteur du type membrane) 100 conforme à un mode de réalisation préféré de la présente invention, est formé comme représenté sur les figures 1 et 2. Le capteur 100 comprend le substrat semiconducteur 10, la membrane 30 et une base en verre 40. La membrane 30 est formée sur le substrat 10. Le substrat 10 est constitué 20 de silicium monocristallin. Une surface du côté avant 12 du substrat 10, à titre de plan principal, a le plan cristallographique (110) (c'est-à-dire le plan (110)). Une surface du côté arrière Il du substrat a également le plan (110). Par conséquent, les deux plans principaux 11, 12 ont une orientation de plan (110).

Le substrat 10 comprend une concavité 20 disposée sur la surface de face arrière 11. La concavité 20 définit la membrane 30 pour détecter une pression appliquée à celle-ci. De façon spécifique, une partie du substrat 10 disposée sur la concavité 20 a une partie mince, de manière à former la membrane 30. De multiples résistances 41-44 sont 30 disposées sur la surface du côté avant, 12, de la partie mince, c'est-àdire sur la membrane 30.

Comme représenté sur la figure 2, la membrane 30 a une forme octogonale. De façon spécifique, la membrane 30 a une paire de côtés orientés selon l'axe <110> et une paire de côtés orientés selon l'axe 35 <100>. En outre, la membrane 30 a quatre côtés pour faire la liaison entre le côté dans la direction de l'axe <110> et le côté dans la direction de l'axe <100>.

Les résistances de jauge de déformation 41-44 sont formées sur la surface avant 12 du substrat 10. Les résistances de jauge de 5 déformation 41-44 procurent le circuit de pont pour détecter la déformation de la membrane 30 et pour émettre un signal détecté. Les résistances 41-44 sont des résistances de jauge diffusées, formées en utilisant un procédé d'implantation, un procédé de diffusion, et autres. La direction longitudinale de chaque résistance 41-44 est disposée dans la 10 direction de l'axe <110> du substrat 10. De façon spécifique, la résistance 41-44 a une structure consistant en une résistance filaire pliée. La direction longitudinale de la résistance filaire est parallèle à la direction <1 1 O>.

Les résistances 41-44 sont constituées d'une paire de 15 résistances de jauge centrales 41, 44 et d'une paire de résistances de jauge latérales 42, 43. Les résistances de jauge centrales 41, 44 sont disposées au centre de la membrane 30, et les résistances de jauge latérales 42, 43 sont disposées sur la périphérie de la membrane 30.

Chaque résistance de jauge latérale 42, 43 comprend la première 20 résistance de jauge 42a, 43a et la seconde résistance de jauge 42b, 43b.

La direction longitudinale de la première résistance de jauge 42a, 43a est disposée dans la direction de l'axe <110>, et la direction longitudinale de la seconde résistance de jauge 42b, 43b est disposée dans la direction de l'axe <100>. Les premières et secondes résistances de jauge 42a, 42b, 25 43a, 43b sont connectées ensemble en série.

Les résistances 41-44 sont connectées ensemble avec une interconnexion (non représentée) formée d'une couche diffusée ou autres, de façon que les résistances 41-44 forment un circuit de pont, comme représenté sur la figure 3. L'une, 41,. des résistances de jauge centrales, 30 a une valeur de résistance de RA, et l'autre, 44, des résistances de jauge centrales a une valeur de résistance de RD. La première résistance de jauge 42a de l'une 42 des résistances de jauge latérales a une valeur de résistance de RB1, et la seconde résistance 42b de l'une, 42, des résistances de jauge latérales a une valeur de résistance RB2. Par 35 conséquent, la valeur de résistance totale RB de l'une, 42, des 1 1 résistances de jauge latérales est donnée par RB1 + RB2. La première résistance de jauge 43a de l'autre résistance de jauge latérale 43 a une valeur de résistance de RC1, et la seconde résistance 43b de l'autre résistance de jauge latérale 43 a une valeur de résistance de RC2. Par 5 conséquent, la valeur de résistance totale RC de l'autre résistance de jauge latérale 43 est donnée par RC1 + RC2. Ces résistances 41-44 sont connectées ensemble en série de façon que les résistances forment un circuit fermé de forme rectangulaire. Par conséquent, le pont de Wheatstone est formé, de façon que la contrainte générée dans la 10 direction de l'axe <110> soit détectée par le circuit de pont.

Dans les résistances de jauge latérales 42, 43, la direction longitudinale de la première résistance de jauge 42a, 43a est disposée dans la direction de l'axe <110> du substrat 10, de façon que la première résistance de jauge 42a, 43a puisse détecter la contrainte. De façon 15 spécifique, la première résistance de jauge 42a, 43a devient une résistance de jauge sensible à une contrainte, qui a une sensibilité vis- àvis de la contrainte, c'est-à-dire du changement de contrainte. La direction longitudinale de la seconde résistance de jauge 42b, 43b est disposée dans la direction de l'axe <100> du substrat 10, de façon que la 20 seconde résistance de jauge 42b, 43b ne puisse pas détecter la contrainte de façon notable. De manière spécifique, la seconde résistance de jauge 42b, 43b devient une résistance de jauge insensible à la contrainte qui n'a pas une sensibilité notable au changement de contrainte.

Dans le circuit de pont représenté sur la figure 3, une paire de bornes d'entrée 45, 46 sont connectées au circuit de pont de façon qu'un courant électrique continu soit appliqué au circuit de pont. Le courant continu 1, c'est-à-dire le courant continu constant 1, circule entre les bornes 45, 46. A ce moment, lorsque la membrane 30 est déformée par la 30 pression, les valeurs de résistance RA, RB1, RC1, RD sont changées conformément à la déformation. Par conséquent, le potentiel de point milieu Vout entre une paire de bornes de sortie 47, 48 est généré. Le potentiel de point milieu Vout correspond à la déformation de la membrane 30, c'est-à-dire à la pression, de façon que le signal détecté 35 en tant que potentiel de point milieu Vout soit émis par les bornes de sortie 47, 48.

Comme représenté sur la figure 1, dans le capteur 100 ci-dessus, la base en verre 40 est fixée sur le substrat 10 en utilisant le procédé de fixation anodique, et autres. De façon spécifique, la base en verre 40 est 5 fixée sur la surface arrière 11 du substrat 10. Dans ce mode de réalisation, la concavité 20 est fermée hermétiquement en relation avec la base en verre 40, de façon que la concavité 20 devienne une chambre de pression de référence pour fournir une pression de référence. Par conséquent, le capteur 100 procure un capteur de pression absolue.

Bien que la concavité 20 soit complètement close dans le capteur 100, le capteur 100 peut être un autre type de capteur de pression, qui comprend un passage d'introduction de pression pour faire communiquer l'extérieur et la concavité 20. Dans ce cas, une pression constituant un objet de mesure est introduite à travers le passage dans la 15 concavité, de façon que la pression soit appliquée à la membrane 30, c'est-à-dire à la surface arrière de la membrane 30.

Le capteur 100 est fabriqué de la façon suivante. On prépare le substrat 10 ayant le plan (110) en tant que plan principal. Chacune de la surface du côté avant 12 et de la surface du côté arrière 11 du substrat 20 10 est dans le plan (110). Les résistances de jauge de déformation 41-44 et diverses sortes d'interconnexions sont formées sur la surface avant 12 du substrat 10, en utilisant un procédé de fabrication de semiconducteur tel que le procédé d'implantation ionique et le procédé de diffusion. Ici, les résistances de jauge latérales 42, 43 du capteur 100 représenté sur la 25 figure 2 ont différentes configurations, qui sont différentes de celles du capteur 200 représenté sur la figure 4. On peut cependant former aisément les résistances 42, 43 du capteur 100 représenté sur la figure 2, en utilisant un masque différent dans le cas du processus d'implantation ionique. De façon spécifique, le masque a une ouverture prédéterminée, 30 dont la forme correspond aux résistances de jauge latérales 42, 43 ayant respectivement les premières et secondes résistances de jauge 42a, 42b, 43a, 43b.

Ensuite, un masque de gravure (non représenté) pour graver la surface arrière 11 du substrat 10 est formé sur la surface arrière 11. Le 35 masque de gravure comprend une ouverture ayant une forme prédéterminée, correspondant à la concavité 20. Le masque de gravure consiste en une pellicule de nitrure de silicium formée en utilisant le procédé de dépôtchimique en phase vapeur (ou CVD), ou un procédé similaire. Après que le masque de gravure a été formé sur la surface du 5 côté arrière Il du substrat 10, la surface du côté arrière 11 est gravée de façon à former la concavité 20 sur le substrat 10. Par conséquent, la membrane 30 est formée sur la surface avant 12 du substrat 10. La surface arrière 11 est gravée en utilisant un procédé d'attaque anisotrope employant un agent d'attaque alcalin (c'est-à-dire une solution d'attaque) 10 tel qu'un agent d'attaque consistant en KOH (c'est-à-dire une solution d'hydroxyde de potassium) et un agent d'attaque consistant en TMAH (c'est-à-dire une solution d'hydroxyde de tétraméthylammonium).

Le substrat 10 ayant les résistances de jauge de déformation 41-44 et la membrane 30 est ainsi terminé. Après ceci, on enlève le 15 masque de gravure en utilisant un procédé de gravure, et autres. Ensuite, on fixe la base en verre 40 sur le substrat 10 en utilisant le procédé de fixation anodique, et autres.

Dans les résistances de jauge latérales 42, 43, la première résistance de jauge 42a, 43a devient la résistance de jauge sensible à la 20 contrainte, qui a une sensibilité vis-à-vis du changement de contrainte. La seconde résistance de jauge 42b, 43b devient la résistance de jauge non sensible à la contrainte, qui n'a pas une sensibilité notable au changement de contrainte. Chaque valeur de résistance RB1, RC1 des premières résistances de jauge 42a, 43a est fixée de façon à être 25 inférieure à la valeur de résistance RA, RD des résistances de jauge centrales 41, 44. Par conséquent, le signal de sortie de la résistance de jauge latérale 42, 43 correspondant à la contrainte thermique élevée, est presque égalisé avec le signal de sortie de la résistance de jauge centrale 41, 44, correspondant à la faible contrainte thermique, même lorsque la 30 contrainte thermique qui est appliquée à la résistance de jauge latérale 42, 43, est plus grande que celle appliquée à la résistance de jauge centrale 41, 44. Ainsi, la différence entre la contrainte thermique appliquée à la résistance de jauge latérale 42, 43, et la contrainte thermique appliquée à la résistance de jauge centrale 41, 44 est 35 pratiquement compensée en commandant les valeurs de résistance RA, RB1, RC1, RD.

Par exemple, un côté longitudinal (c'est-à-dire une longueur) L de la membrane 30 est égal au côté latéral (c'est-à-dire une largeur) L de la membrane 30, comme représenté sur la figure 1. La longueur L et la 5 largeur L sont respectivement de 450 pm. Dans ce cas, la contrainte thermique ai appliquée à la résistance de jauge centrale 41, 44 est d'environ 70% de la contrainte thermique a2 appliquée à la résistance de jauge latérale 42, 43. Ce résultat est obtenu par les inventeurs en utilisant la méthode des éléments finis, comme représenté sur la figure 6. 10 Par conséquent, la valeur de résistance RB1, RC1 de la première résistance de jauge 42a, 43a est fixée à 70% de la valeur de résistance RA, RD de la résistance de jauge centrale 41, 44. c'est-à-dire que, RB1 = RC1 = 0,7 x RA = 0,7 x RD = 0,7 x R, et RB2 = RC2 = 0,3 x RA = 0,3 x RD = 0,3 x R. En général, le changement de valeur de la résistance de jauge de déformation correspondant à la contrainte thermique est proportionnel à la valeur de la résistance. Par conséquent, le changement de valeur de la résistance de jauge latérale 42, 43 est presque égalisé avec celui de la résistance de jauge centrale 41, 44, lorsque la contrainte thermique est 20 appliquée au capteur 100.

De façon générale, la valeur de la résistance de jauge centrale est fixée de façon à être égale à celle de la résistance de jauge latérale, de façon que quatre résistances composant le circuit de pont soient presque les mêmes, afin que la tension de décalage du circuit de pont 25 devienne aisément nulle dans un cas dans lequel la pression n'est pas appliquée au capteur (c'est-à-dire que la pression appliquée est nulle). Il en résulte qu'il est possible de détecter un changement de valeur de résistance faible, correspondant à une pression faible appliquée au capteur.

Dans ce mode de réalisation, la valeur de résistance totale RB, RC de la résistances de jauge latérale 42, 43, qui est composée de la valeur de résistance RB1, RC1 de la premières résistance de jauge 42a, 43a, et de la valeur de résistance RB2, RC2 de la seconde résistance de jauge 42b, 43b, est égale à la valeur de résistance RA, RD de la résistance de jauge centrale 41, 44. Au contraire, la valeur de résistance totale RB, RC de la résistance de jauge latérale 42, 43 est divisée entre la valeur de résistance RB1, RCI de la première résistance de jauge 42a, 5 43a et la valeur de résistance RB2, RC2 du côté de la seconde résistance de jauge 42b, 43b. La valeur de résistance RB1, RC1 de la première résistance de jauge 42a, 43a devient inférieure à la valeur de résistance RA, RD de la résistance de jauge centrale 41, 44. De façon spécifique, la valeur de résistance totale (c'est-à-dire 0,7 x R + 0,3 x R) de la résistance 10 de jauge latérale 42, 43 est égale à la valeur de résistance (c'est-à-dire R) de la résistance de jauge centrale 41, 44. Ainsi, RB1 + RB2 = RCI + RC2 = RA = RD. Par conséquent, les valeurs de résistance RA, RB, RC, RD de quatre résistances 41-44 constituant le circuit de pont sont pratiquement les mêmes, c'est-à-dire qu'elles sont égales à R, de façon 15 que la tension de décalage du circuit de pont devienne aisément nulle dans un cas dans lequel la pression n'est pas appliquée au capteur (c'està-dire que la pression appliquée est nulle). Par conséquent, il est possible de détecter un changement de valeur de résistance faible correspondant à une pression faible appliquée au capteur. Au contraire, si 20 le capteur 100 ne comporte pas les secondes résistances de jauge 42b, 43b, la valeur de résistance RB, RC de la résistance de jauge latérale 42, 43 devient différente de la valeur de résistance RA, RD de la résistance de jauge centrale 41, 44. Par conséquent, la tension de décalage du capteur 100 devient grande dans un cas dans lequel la pression est nulle, 25 ce qui fait que la tension de décalage n'est pas compensée par un circuit de traitement de signal.

Bien que la contrainte thermique cil appliquée à la résistance de jauge centrale 41, 44 soit approximativement égale à 70% de la contrainte thermique a2 appliquée à la résistance de jauge latérale 42, 43 dans ce 30 capteur 100, le rapport de la contrainte thermique appliquée entre la résistance de jauge centrale 41, 44 et la résistance de jauge latérale 42, 43 peut devenir différent si les dimensions de la membrane 30, la forme de la membrane 30, les dimensions des résistances 41-44 et/ou la forme des résistances 41-44 deviennent différentes. Par conséquent, le rapport 35 de la contrainte thermique dans chaque capteur ayant une membrane différente et/ou des résistances de jauge de déformation différentes doit être calculé en utilisant l'analyse par la méthode des éléments finis. Ainsi, il est nécessaire de calculer le rapport entre la valeur de résistance RB1, RCI et la valeur de résistance RA, RD en utilisant la méthode des 5 éléments finis, dans un cas dans lequel un capteur a une structure différente, qui diffère de celle du capteur 100 représenté sur la figure 2.

Dans le capteur 100 ci-dessus, bien que la contrainte thermique ai appliquée à la résistance de jauge centrale 41, 44 soit différente de la contrainte thermique a2 appliquée à la résistance de jauge latérale 42, 10 43, le changement de valeur de la résistance de jauge centrale 41, 44 est pratiquement égalisé avec le changement de valeur de la résistance de jauge latérale 42, 43. Par conséquent, la propriété de TNO du capteur 100 est améliorée. Il en résulte que même lorsque le capteur 100 est miniaturisé, le capteur de pression 100 a une exactitude de détection 15 élevée.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Capteur de pression à semiconducteur comprenant un substrat semiconducteur (10) ayant une membrane (30) pour recevoir une pression, et un circuit de pont pour détecter une déformation de la 5 membrane (30) correspondant à la pression; caractérisé en ce que le circuit de pont comprend une paire de premières résistances de jauge (41, 44) et une paire de secondes résistances de jauge (42a, 43a); les premières résistances de jauge (41, 44) sont disposées sur une région centrale de la membrane (30), et les secondes résistances de jauge (42a, 10 43a) sont disposées sur une périphérie de la membrane (30); et chaque première résistance de jauge (41, 44) a une première valeur de résistance (RA, RD) qui est supérieure à une seconde valeur de résistance (RB1, RCI) de chaque seconde résistance de jauge (42a, 43a).

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 15 circuit de pont a un rapport de valeurs de résistance prédéterminé entre la seconde valeur de résistance (RB1, RCI) et la première valeur de résistance (RA, RD); la membrane (30) a un autre rapport de contraintes thermiques prédéterminé entre une seconde contrainte thermique (C2) à appliquer à la seconde résistance de jauge (42a, 43a) et une première 20 contrainte thermique (ci) à appliquer à la première résistance de jauge (41, 44) dans un cas dans lequel une contrainte thermique (ci) est appliquée au substrat (10); et le rapport de valeurs de résistance prédéterminé est égal au rapport de contraintes thermiques prédéterminé.

3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les 25 deux contraintes thermiques à appliquer à la première résistance de jauge (41, 44) et à la seconde résistance de jauge (42a, 43a) sont déterminées en utilisant la méthode des éléments finis, de façon à obtenir le rapport de contraintes thermiques prédéterminé.

4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que premières résistances de jauge (41, 44) et les secondes résistances de jauge (42a, 43a) sont connectées ensemble en série de façon que le circuit de pont forme un pont de Wheatstone; chaque seconde résistance de jauge (42a, 43a) comprend en outre une troisième résistance de jauge 5 (42b, 43b) ayant une troisième valeur de résistance (RB2, RC2) et disposée sur la périphérie de la membrane (30); les seconde et troisième résistances de jauge (42a, 42b, 43a, 43b) sont connectées en série en un seul élément, de façon que les seconde et troisième résistances de jauge (42a, 42b, 43a, 43b) forment une seule résistance de jauge (42, 43); et la 10 première valeur de résistance (RA, RD) est égale à une valeur de résistance totale (RB, RC) des seconde et troisième résistances (42a, 42b, 43a, 43b).

5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur (10) consiste en silicium monocristallin ayant un 15 plan principal qui est un plan cristallographique (110); la première résistance de jauge (41, 44) a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; la seconde résistance de jauge (42a, 43a) a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; et la 20 troisième résistance de jauge (42b, 43b) a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <100> du silicium monocristallin.

6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque résistance de jauge (41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) a une structure pliée constituée d'une résistance filaire, de façon que la résistance filaire 25 soit parallèle à l'axe cristallographique <110> ou à l'axe cristallographique <100>; et la membrane (30) a une forme octogonale ayant une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <110>, une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <100>, et quatre côtés pour relier entre le côté orienté selon l'axe cristallographique 30 <110> et le côté orienté selon l'axe cristallographique <100>.

7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1-6, caractérisé en ce que la membrane (30) a une longueur (L) de 450 pm et une largeur (L) de 450 pm; et le rapport de valeurs de résistance prédéterminé est de 0,7.

8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1-7, comprenant en outre: une concavité (20) formée dans le substrat (10) de façon à définir la membrane (30); et une base en verre (40) disposée sur le substrat (10); caractérisé en ce que le substrat (10) comprend une première surface et une seconde surface (11, 12); les résistances de 5 jauge (41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) sont disposées sur la première surface du substrat (10); et la base en verre (40) est fixée sur la seconde surface (12) du substrat (10) de façon à définir une chambre entre la base en verre (40) et la concavité (20).

9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la 10 chambre est fermée hermétiquement de façon que le capteur fournisse un capteur de pression absolue; et les résistances de jauge (41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) sont des résistances de jauge de déformation consistant en résistances diffusées.

10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le 15 circuit de pont a un rapport de valeurs de résistance prédéterminé entre la seconde valeur de résistance (42a, 43a) et la première valeur de résistance (41, 44); la membrane (30) a un autre rapport de contraintes thermiques prédéterminé entre une seconde contrainte thermique (a2) à appliquer à la seconde résistance de jauge (42a, 43a) et une première 20 contrainte thermique (6I) à appliquer à la première résistance de jauge (41, 44) dans un cas dans lequel une contrainte thermique (a) est appliquée au substrat (10); et le rapport de valeurs de résistance prédéterminé est égal au rapport de contraintes thermiques prédéterminé, de façon qu'une propriété du capteur concernant un décalage non linéaire 25 en fonction de la température soit améliorée.

11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 8-10, caractérisé en ce que les premières résistances de jauge (41, 44) et les secondes résistances de jauge (42a, 43a) sont connectées ensemble en série de façon que le circuit de pont forme un pont de Wheatstone, 30 chaque seconde résistance de jauge (42a, 43a) comprend en outre une troisième résistance de jauge (42b, 43b) ayant une troisième valeur de résistance (RB2, RC2) et disposée sur la périphérie de la membrane (30); les secondes et troisièmes résistances de jauge (42a, 42b, 43a, 43b) sont connectées en série en un seul élément, de façon que les secondes et 35 troisièmes résistances de jauge (42a, 42b, 43a, 43b) fournissent une résistance de jauge (42, 43); et la première valeur de résistance (RA, RC) est égale à une valeur de résistance totale (RB, RC) des secondes et troisièmes valeurs de résistance (42a, 42b, 43a, 43b).

12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le 5 substrat semiconducteur (10) consiste en silicium monocristallin ayant un plan principal qui est un plan cristallographique (110); la première résistance de jauge (41, 44) a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; la seconde résistance de jauge (42a, 43a) a une direction longitudinale orientée 10 selon un axe cristallographique <110> du silicium monocristallin; et la troisième résistance de jauge (42b, 43b) a une direction longitudinale orientée selon un axe cristallographique <100> du silicium monocristallin.

13. Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque résistance de jauge (41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) a une structure 15 pliée constituée d'une résistance filaire, de façon que la résistance filaire soit parallèle à l'axe cristallographique <110> ou à l'axe cristallographique <100>; et la membrane (30) a une forme octogonale ayant une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <110>, une paire de côtés orientés selon l'axe cristallographique <100>, et 20 quatre côtés pour relier entre le côté orienté selon l'axe cristallographique <110> et le côté orienté selon l'axe cristallographique <100>.