DE3543261A1 - Pressure sensor - Google Patents

Pressure sensor

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DE3543261A1 DE19853543261 DE3543261A DE3543261A1 DE 3543261 A1 DE3543261 A1 DE 3543261A1 DE 19853543261 DE19853543261 DE 19853543261 DE 3543261 A DE3543261 A DE 3543261A DE 3543261 A1 DE3543261 A1 DE 3543261A1
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Abstract

The invention relates to a pressure sensor composed of a pressure diaphragm (P), produced from semiconductor material, and four strain gauges (D), which are integrated on the pressure diaphragm and are weakly doped, do not touch one another and are connected in a bridge circuit, and having lead wires (L) attached outside the bridge circuit. With the aid of force-insensitive terminal regions (A PHI ) which consist of at least one semiconductor layer and connect the strain gauges to one another and to the external lead wires, the disadvantages of metal-semiconductor transitions in the bridge circuit are reduced. The strain gauges which as a result do not touch one another ensure a high degree of linearity between the non-electrical quantity of pressure and the resulting electrical signal. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor aus einer durch Halbleitermaterial hergestellten Druckmembran, aus vier auf der Druckmembran integrierte, schwach dotierte und gegenseitig sich nicht berührende Dehnungsmeßstreifen, die in Brückenschaltung geschaltet sind und aus außer­ halb der Brückenschaltung angebrachten Leitungszuführun­ gen.The invention relates to a pressure sensor from a Semiconductor material made of four pressure membrane lightly doped and integrated on the pressure membrane strain gauges not touching each other, which are connected in bridge circuit and out of half of the bridge circuit attached line supply gene.

In der industriellen Meßtechnik werden heute zum Überwa­ chen, Steuern und Regeln der technischen Prozesse sehr häufig Halbleiterdrucksensoren verwendet. Sie formen die nicht elektrische Größe Druck in ein analoges elektri­ sches Signal um, welches anschließend weiterverarbeitet wird.In industrial metrology today, control and regulation of the technical processes very much often used semiconductor pressure sensors. They shape it non-electrical quantity pressure in an analog electri signal, which is then processed further becomes.

Die bisher verwendeten Halbleiterdrucksensoren werden häufig aus Siliziummaterial hergestellt und nutzen den sogenannten Piezowiderstandseffekt aus. Beim Piezowider­ standseffekt verändert sich der elektrische Widerstand des Materials, wenn es einer Zug- oder Druckbeanspru­ chung ausgesetzt wird (W. Heywang: Sensorik, ab Seite 114). Es existieren Ausführungsformen, bei denen die vier Dehnungsmeßstreifen selbst die gesamte Brückenschal­ tung bilden (Breimeiser, F.; Poppinger, M; Schwaier, A; Piezoresistive pressure sensor with silicon diaphragm, Siemens Forschungs- und Entwicklungs-Bericht 10 (1981)) oder Ausführungsformen, bei denen die Dehnungsmeßstrei­ fen sich nicht gegenseitig berühren und die Verbindung untereinander und an die Leitungszuführung über Metall­ leiterbahnen hergestellt wird (Siemens Components, 23. Jahrgang Heft 2/85, Seite 64). Durch geringe Unge­ nauigkeiten beim Herstellungsprozeß verhält sich der Drucksensor nicht ideal. Dies bedeutet, daß auch ohne Druckbelastung auf den Sensor die Brücke nicht abge­ glichen ist und sich ein Nullpunktsfehler ergibt. Dieser Fehler muß durch eine Offsetspannung kompensiert werden.The semiconductor pressure sensors previously used are often made of silicon material and use the so-called piezoresistance effect. At Piezowider the electrical resistance changes of the material if it is under tensile or compressive stress is suspended (W. Heywang: sensor technology, from page 114). There are embodiments in which the four strain gauges even the entire bridge scarf form (Breimeiser, F .; Poppinger, M; Schwaier, A; Piezoresistive pressure sensor with silicon diaphragm, Siemens Research and Development Report 10 (1981)) or embodiments in which the strain gauge Do not touch each other and the connection with each other and to the cable feed via metal conductor tracks is manufactured (Siemens Components,  23rd volume issue 2/85, page 64). Due to slight harm the inaccuracies in the manufacturing process Pressure sensor not ideal. This means that even without Pressure load on the sensor does not transfer the bridge is equal and there is a zero point error. This Errors must be compensated by an offset voltage.

Aufgrund der Länge der einzelnen Dehnungsmeßstreifen in der zuerst beschriebenen Ausführungsform resultiert ein nicht optimales lineares Verhalten der Signalspannung als Funktion des Druckes. Im Gegensatz dazu zeigt die zweite Bauform, ein optimales lineares Verhalten der Signalspan­ nung als Funktion des Druckes, jedoch bedingt die zwei­ te Bauform Metallhalbleiterübergänge in der Brückenschal­ tung, wodurch es zu Instabilitäten der Offsetspannung kommt. Diese Übergänge haben eine Diodencharakteristik also auch einen Übergangswiderstand der um so stärker aus­ geprägt ist, je schwächer die Halbleiterdotierungsschicht und je kleinflächiger der Übergang ist.Due to the length of the individual strain gauges in the first described embodiment results in a not optimal linear behavior of the signal voltage as Function of pressure. In contrast, the second shows Design, an optimal linear behavior of the signal chip tion as a function of pressure, but requires the two Metal semiconductor junctions in the bridge formwork tion, causing instabilities in the offset voltage is coming. These transitions have a diode characteristic therefore also a contact resistance that the stronger is shaped, the weaker the semiconductor doping layer and the smaller the transition.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druck­ sensor mit verbesserter Linearität zwischen der nicht elektrischen Größe Druck und dem daraus resultierenden elektrischen Signal herzustellen, sowie die nachteiligen Auswirkungen der Metallhalbleiterübergänge in der Brücke zu reduzieren.The invention has for its object a pressure sensor with improved linearity between the not electrical quantity pressure and the resulting produce electrical signal, as well as the disadvantageous Effects of the metal semiconductor junctions in the bridge to reduce.

Diese Aufgabe bei einem Drucksensor der eingangs angege­ benen Art wird durch kräfteunempfindliche Anschlußberei­ che gelöst, die die Dehnungsmeßstreifen untereinander und mit den äußeren Leitungszuführungen verbinden und aus mindestens einer Halbleiterschicht bestehen.This task with a pressure sensor of the beginning benen type is through force-insensitive connection range che solved the strain gauges with each other and connect to the outer cable leads and consist of at least one semiconductor layer.

Es gibt grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten diese Anschlußbereiche herzustellen. Eine Möglichkeit besteht darin, den Anschlußbereich aus einer Halbleiterschicht und einer darüber angeordneten gleich breiten Metall­ schicht auszubilden, durch die die Halbleiterschicht kurzgeschlossen wird. Weitere Möglichkeiten bestehen in einer höheren Dotierung oder einer breiteren Halbleiter­ schicht in den Anschlußbereichen. Andere Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.There are basically several ways to do this Establish connection areas. There is one possibility therein, the connection area made of a semiconductor layer and a metal of the same width arranged above it form layer through which the semiconductor layer  is short-circuited. Other options exist in a higher doping or a wider semiconductor layer in the connection areas. Other trainings are the subject of subclaims.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, die Übergangswiderstände zwischen den Dehnungsmeßstreifen untereinander und zu den äußeren Lei­ tungszuführungen sowie der Metallhalbleiterübergänge zu reduzieren, so daß eine stabile Offsetspannung für den Betrieb des Drucksensors gewährleistet ist. Durch die Einführung der kräfteunempfindlichen Anschlußbereiche können die Dehnungsmeßstreifen kürzer gestaltet werden und so ein lineares Verhalten zwischen Druck und resul­ tierendem elektrischen Signal aufzuweisen.The advantages achieved with the invention are in particular special in that the contact resistance between the Strain gauges with each other and to the outer lei supply leads and the metal semiconductor junctions reduce so that a stable offset voltage for the Operation of the pressure sensor is guaranteed. Through the Introduction of the force-insensitive connection areas the strain gauges can be made shorter and so a linear behavior between pressure and resul To exhibit electrical signal.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen (Fig. 1 bis Fig. 15 weiter erläutert.The invention is further illustrated by (of exemplary embodiments Fig. 1 to Fig. 15.

Fig. 1 zeigt die Brückenschaltung der Dehnungsmeßstrei­ fen und der Anschlußbereiche. Fig. 1 shows the bridge circuit of the Dehnungsmeßstrei fen and the connection areas.

Fig. 2 bis Fig. 15 zeigen je einen Querschnitt und eine Draufsicht eines Teils der Brückenschaltung mit dem neu eingeführten Anschlußbereich. Fig. 2 to Fig. 15 each show a cross section and a plan view of a portion of the bridge circuit with the newly introduced terminal region.

In Fig. 1 ist die Brückenschaltung der Dehnungsmeßstrei­ fen D zu einem Drucksensor mit einer aus Halbleiterma­ terial hergestellten Druckmembran P dargestellt. Die An­ schlußbereiche A Φ verbinden die äußere Leitungszuführung L über die Metallhalbleiterübergänge Ü mit den Dehnungs­ meßstreifen.In Fig. 1, the bridge circuit of Dehnungsmeßstrei fen D to a pressure sensor with a material made of semiconductor material P membrane P is shown. The connection areas A Φ connect the outer cable feed L via the metal semiconductor junctions Ü with the strain gauges.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt und Fig. 3 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 1 mit einer Verbrei­ terung der Halbleiterschicht, sowie zwei angeschlossene Dehnungsmeßstreifen D. Die Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 1018 cm-3) im Anschlußbereich ist gleich hoch wie die der Dehnungsmeßstreifen, so daß der Drucksensor in einem einfachen Herstellungsprozeß hergestellt werden kann. Der Metallhalbleiterübergang Ü zwischen der äußeren Lei­ tungszuführung L und dem Anschlußbereich liegt außerhalb der Brückenschaltung und hat somit keinen störenden Ein­ fluß auf die Signalgröße. Die Verbreiterung der Halblei­ terschicht bewirkt eine Reduzierung des Übergangswider­ standes zwischen den Dehnungsmeßstreifen untereinander und der Leitungszuführung, sowie eine Kräfteempfindlich­ keitsverminderung in diesem Anschlußbereich. Fig. 2 shows the cross section and Fig. 3 shows the plan view of a connection area A 1 with a widening of the semiconductor layer, and two connected strain gauges D. The doping rate R 1 (approx. 5 × 10 18 cm -3 ) in the connection area is the same as that of the strain gauges, so that the pressure sensor can be manufactured in a simple manufacturing process. The metal semiconductor junction Ü between the outer line supply line L and the connection area lies outside the bridge circuit and thus has no disturbing influence on the signal size. The widening of the semiconductor layer causes a reduction in the contact resistance between the strain gauges with one another and the line feed, as well as a reduction in force sensitivity in this connection area.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt und Fig. 5 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 2 mit zwei ange­ schlossenen Dehnungsmeßstreifen D. Die Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 1020 cm-3) im Anschlußbereich ist höher wie die Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 1018 cm-3) in den Dehnungsmeß­ streifen. Der Metallhalbleiterübergang Ü zwischen der äußeren Leitungszuführung L und dem Anschlußbereich liegt ebenfalls außerhalb der Brückenschaltung und hat daher keinen störenden Einfluß auf die Signalgröße. Die höhere Dotierungsrate in dem Anschlußbereich bewirkt eine Reduzierung des Übergangswiderstandes zwischen den Dehnungsmeßstreifen untereinander und der Leitungszufüh­ rung, sowie eine Kräftempfindlichkeitsverminderung in diesem Anschlußbereich. Fig. 4 shows the cross section and Fig. 5 shows the top view of a connection area A 2 with two attached strain gauges D. The doping rate R 2 (approx. 5 × 10 20 cm -3 ) in the connection area is higher than the doping rate R 1 (approx. 5 × 10 18 cm -3 ) in the strain gauge. The metal semiconductor transition U between the outer lead L and the connection area is also outside the bridge circuit and therefore has no disruptive influence on the signal size. The higher doping rate in the connection area brings about a reduction in the contact resistance between the strain gauges with one another and the line feed, and a reduction in the sensitivity to force in this connection area.

Fig. 6 zeigt den Querschnitt und Fig. 7 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 3 mit zwei ange­ schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop­ pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit gleicher Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 1018 cm-3), wie die der Deh­ nungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Diese Metallschicht verringert aufgrund der großen Übergangs­ fläche die Nachteile von Metallhalbleiterübergängen, so daß eine stabile Offsetspannung für den Drucksensor existiert. Die Metallschicht bewirkt ferner ein Kurz­ schließen dieser Halbleiterschicht und somit eine Ver­ ringerung des Übergangswiderstandes zwischen den Deh­ nungsmeßstreifen untereinander und zu der äußeren Lei­ tungszuführung L, sowie eine Kräfteempfindlichkeitsver­ minderung in diesem Anschlußbereich. Fig. 6 shows the cross section and Fig. 7 shows the top view of a connection area A 3 with two connected strain gauges D , formed as a double layer structure of semiconductor material with the same doping rate R 1 (about 5 × 10 18 cm -3 ), such as that of Strain gauges and with a metal layer M. This metal layer reduces the disadvantages of metal semiconductor junctions due to the large transition area, so that a stable offset voltage exists for the pressure sensor. The metal layer also causes a short circuit of this semiconductor layer and thus a reduction in the contact resistance between the strain gauges with each other and to the outer Lei line supply L , as well as a reduction in force sensitivity in this connection area.

Fig. 8 zeigt den Querschnitt und Fig. 9 die Drauf­ sicht eines Anschlußbereiches A 4 mit einer Verbreiterung der Halbleiterschicht, sowie zwei angeschlossenen Deh­ nungsmeßstreifen D. Die Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 1020 cm-3) im Anschlußbereich liegt höher als die Dotierungs­ rate Rl (ca. 5 × 1018 cm-3) in den Dehnungsmeßstreifen. Der Metallhalbleiterübergang Ü zwischen der äußeren Leitungsführung L und dem Anschlußbereich liegt außer­ halb der Brückenschaltung. Fig. 8 shows the cross section and Fig. 9 is a plan view of a connection area A 4 with a widening of the semiconductor layer, and two connected strain gauges D. The doping rate R 2 (approx. 5 × 10 20 cm -3 ) in the connection area is higher than the doping rate Rl (approx. 5 × 10 18 cm -3 ) in the strain gauges. The metal semiconductor junction Ü between the outer cable routing L and the connection area lies outside half of the bridge circuit.

Fig. 10 zeigt den Querschnitt und Fig. 11 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 5 mit zwei ange­ schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop­ pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit gleicher Dotierungsrate R 1 (ca. 5 × 1018 cm-3) wie die der Deh­ nungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Der An­ schlußbereich hat zusätzlich breitere Ausmaße wie die Dehnungsmeßstreifen. Die äußere Leitungszuführung L ist mit der Metallschicht M verbunden. Fig. 10 shows the cross section and Fig. 11 shows the plan view of a connection area A 5 with two connected strain gauges D , formed as a double layer structure of semiconductor material with the same doping rate R 1 (about 5 × 10 18 cm -3 ) as that of Deh voltage measurement strips and with a metal layer M. The connection area also has wider dimensions such as the strain gauges. The outer lead L is connected to the metal layer M.

Fig. 12 zeigt den Querschnitt und Fig. 13 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 6 mit zwei ange­ schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop­ pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit höherer Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 1020 cm-3) wie die Dotie­ rungsrate R 1 (ca. 5 × 1018 cm-3) der Dehnungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Die äußere Leitungszufüh­ rung L ist mit der Metallschicht M verbunden. Fig. 12 shows the cross section and Fig. 13 shows the plan view of a connection area A 6 with two connected strain gauges D , formed as a double layer structure of semiconductor material with a higher doping rate R 2 (about 5 × 10 20 cm -3 ) as the doping rate R 1 (approx. 5 × 10 18 cm -3 ) the strain gauges and with a metal layer M. The outer cable feed L is connected to the metal layer M.

Fig. 14 zeigt den Querschnitt und Fig. 15 zeigt die Draufsicht eines Anschlußbereiches A 7 mit zwei ange­ schlossenen Dehnungsmeßstreifen D, ausgebildet als Dop­ pelschichtstruktur von Halbleitermaterial mit höherer Dotierungsrate R 2 (ca. 5 × 1020 cm-3) wie die Dotie­ rungsrate R 1 (ca. 5 × 1018 cm-3) der Dehnungsmeßstreifen und mit einer Metallschicht M. Der Anschlußbereich hat zusätzlich breitere Ausmaße wie die Dehnungsmeßstreifen. Die äußere Leitungszuführung ist mit der Metallschicht M verbunden. Fig. 14 shows the cross section and Fig. 15 shows the plan view of a connection area A 7 with two connected strain gauges D , formed as a double layer structure of semiconductor material with a higher doping rate R 2 (about 5 × 10 20 cm -3 ) as the doping rate R 1 (approx. 5 × 10 18 cm -3 ) the strain gauges and with a metal layer M. The connection area also has wider dimensions such as the strain gauges. The outer lead is connected to the metal layer M.

Die Vorteile aus den Fig. 2 bis 6 gelten analog für die Fig. 7 bis 15.The advantages from FIGS. 2 to 6 apply analogously to FIGS. 7 to 15.

Claims (13)

1. Drucksensor bestehend
  • - aus einer durch Halbleitermaterial hergestellten Druckmembran (P);
  • - aus vier auf der Druckmembran integrierten, schwach dotierten und gegenseitig sich nicht berührenden Deh­ nungsmeßstreifen (D), die in Brückenschaltung geschaltet sind;
  • - aus außerhalb der Brückenschaltung angebrachten Leitungszuführungen (L);
  • - aus kräfteunempfindlichen Anschlußbereichen (A Φ), die die Dehnungsmeßstreifen (D) untereinander und mit den äußeren Leitungszuführungen (L) verbinden und aus minde­ stens einer Halbleiterschicht bestehen.
1. Pressure sensor exists
  • - From a pressure membrane (P) produced by semiconductor material;
  • - From four integrated on the pressure membrane, lightly doped and mutually non-contact strain gauges (D) which are connected in a bridge circuit;
  • - from line feeds (L) attached outside the bridge circuit;
  • - From force-insensitive connection areas (A Φ ), which connect the strain gauges (D) to each other and to the outer cable leads (L) and consist of at least one semiconductor layer.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anschlußbereiche (A 3, A 5, A 6, A 7) aus einer Halbleiterschicht und einer darüber angeordneten, die Halbleiterbereiche kurzschließen­ den Metallschicht (M), bestehen.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the connection regions ( A 3 , A 5 , A 6 , A 7 ) consist of a semiconductor layer and one arranged above it, the semiconductor regions short-circuit the metal layer (M) . 3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche in den Anschlußbereichen (A 3, A 5) gleich hoch dotiert sind wie die Dehnungsmeßstreifen (D).3. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the semiconductor areas in the connection areas ( A 3 , A 5 ) are doped to the same extent as the strain gauges (D) . 4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) gleich breite Ausmaße haben wie die Dehnungsmeßstreifen (D).4. Pressure sensor according to claim 3, characterized in that the semiconductor regions and the metal layer (M) arranged above have the same width dimensions as the strain gauges (D) . 5. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) breitere Ausmaße haben als die Dehnungsmeßstreifen (D).5. Pressure sensor according to claim 3, characterized in that the semiconductor regions and the metal layer (M) arranged above have wider dimensions than the strain gauges (D) . 6. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche der kräfteunempfindlichen Anschlußbereiche (A 6, A 7) hö­ her dotiert sind als die Dehnungsmeßstreifen (D).6. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the semiconductor regions of the force-insensitive connection regions ( A 6 , A 7 ) are doped higher than the strain gauges (D) . 7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) gleich breite Ausmaße haben wie die Dehnungsmeßstreifen (D).7. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the semiconductor regions and the metal layer (M) arranged above have the same width dimensions as the strain gauges (D) . 8. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterbereiche und die darüber angeordnete Metallschicht (M) breitere Ausmaße haben als die Dehnungsmeßstreifen (D).8. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the semiconductor regions and the metal layer (M) arranged above have wider dimensions than the strain gauges (D) . 9. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kräfteunempfindlichen Anschlußbereiche (A 1, A 2, A 4) nur aus einer Halbleiter­ schicht bestehen.9. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the force-insensitive connection areas (A 1 , A 2 , A 4 ) consist only of a semiconductor layer. 10. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 2, A 4) höher dotiert ist als die Dehnungsmeßstreifen (D).10. Pressure sensor according to claim 9, characterized in that the semiconductor layer in the connection areas ( A 2 , A 4 ) is doped higher than the strain gauges (D) . 11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 2) gleich breite Ausmaße hat wie die Dehnungsmeßstreifen (D).11. Pressure sensor according to claim 10, characterized in that the semiconductor layer in the connection areas ( A 2 ) has the same width dimensions as the strain gauges (D) . 12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 4) breitere Ausmaße hat als die Dehnungsmeßstreifen (D).12. Pressure sensor according to claim 11, characterized in that the semiconductor layer in the connection areas ( A 4 ) has wider dimensions than the strain gauges (D) . 13. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Halbleiterschicht in den Anschlußbereichen (A 1) gleich hoch dotiert ist und breitere Ausmaße hat als die Dehnungsmeßstreifen (D).13. Pressure sensor according to claim 9, characterized in that the semiconductor layer in the connection areas ( A 1 ) is doped at the same height and has wider dimensions than the strain gauges (D) .
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