Brevet FR2602335A1 — publié le 19880205

-1 Détecteur de pression à semiconducteurs. La présente invention concerne des détecteurs de pression à semiconducteurs, et plus particulièrement un détecteur de pression à semiconducteurs apte à être utilisé pour la commande des temps d'allumage ou de l'injection de carburant dans des automobiles, et à permettre une compensation de température de grande précision sur une plage de températures étendue. En général, la jauge de contrainte à semiconducteurs qui constitue un détecteur de pression à semiconducteurs est composé d'une résistance diffusée de type P formée sur un substrat de silicium de type N, et le 10 coefficient de température de la résistance et le coefficient de température du coefficient de variation de jauge (coefficient de variation de la résistance par unité de contrainte) dépendent chacune de la concentration des impuretés de surface au moment de la diffusion. Il est décrit par exemple dans "Collection of Papers Scheduled to 15 be Presented at 36th Meeting of Applied Physics Society 24a-D-6 (1975", lignes 16 à 19 de la page 62 (présenté par Shimazoe et Yamada) que dans le cas o un détecteur de pression dans lequel une jauge de contrainte à semiconducteurs du type décrit ci-dessus est formée sur un diaphragme de silicium sous forme d'un pont de Wheatstone, lorsque ce détecteur de 20 pression est excité par un courant constant le coefficient de température de la sensibilité atteint le minimum quand la concentration des impuretés de surface est de 1018 atomes/cm3 et de 1020 atomes/cm3, ceci signifiant que le coefficient de température de la jauge de contrainte à semiconducteurs est nul pour lesdites concentrations 25 d'impuretés de surface. Selon le contenu de la revendication 1 du "Process for Producing Semiconductor Pressure-Sensitive Device" de la demande de brevet japonais No 113379/1980 ouverte à l'inspection publique-le 1 septembre 1980 et la description des lignes 3 à 6 de la colonne de droite page 30 353, il est possible d'aplatir la surface de l'élément à piézorésistance utilisé dans un dispositif sensible à la pression à semiconducteurs et de minimiser la dépendance de sa sensibilité - 2 vis-àvis de la température en fixant la concentration des impuretés de surface au voisinage de 2 x 1020 atomes/cm3. Les détecteurs de pression, en particulier ceux qui sont utilisés pour la commande des temps d'allumage ou de l'injection de carburant dans les automobiles, sont utilisés dans des environnements sévères et ont besoin d'être capables de mesurer avec précision des changements de la pression d'admission dans le collecteur d'admission entre 40 C et C. Cependant, avec le dispositif de l'art antérieur décrit ci-dessus, 10 et bien qu'il soit possible d'éliminer la dépendance vis-à-vis de la température dans une plage de températures relativement étroite, et plus spécifiquement entre 100C et 60 C, la sensibilité du dispositif de l'art antérieur dépend de la température dans les régions de température basse ou élevée autres que la plage de températures décrite 15 ci-dessus, et il est nécessaire d'effectuer une compensation de la température dans les régions de températures élevées et basses. Dans un tel cas, comme les jauges de contrainte à semiconducteurs présentent des caractéristiques de température positives dans les régions de températures basses et élevées (décrites plus en détail plus loin), il 20 est impossible de réaliser une compensation de température satisfaisante dans les deux régions de températures basses et élevées avec des thermistors présentant seulement des caractéristiques de température positives. En conséquence, quand il faut établir une compensation sur une plage de températures étendue, le circuit de 25 compensation de température est compliqué et désavantageux. Un but essentiel de la présente invention est de proposer un détecteur de pression à semiconducteurs conçu pour que la compensation de température de la sensibilité soit réalisée avec un degré élevé de précision sur une plage étendue de températures au moyen d'un circuit 30 de compensation de température utilisant un thermistor et dont la disposition soit relativement simple. A cette fin, la présente invention propose un détecteur de pression à semiconducteurs dans lequel la concentration des impuretés de surface de la jauge de contrainte est fixée entre 2,3 x 1018 et 2,5 x 108 atomes/cm, et la dpendance de la jauge de contrainte 2,5 x 10 atomes/cm3, et la dépendance de la jauge de contrainte -3 vis-à-vis de la température dans la région des basses températures est compensée au moyen d'un thermistor. Plus spécifiquement, selon la présente invention, la concentration des impuretés de surface de la jauge de contrainte à semiconducteurs est fixée entre 2,3 x 1018 et 2,5 x 1018 atomes/cmB pour obtenir une jauge de contrainte présentant une caractéristique de température positive dans la région des températures basses, et la caractéristique dans la région de températures basses étant compensée par la caractéristique de température positive d'un thermistor, ce qui permet 10 d'obtenir une compensation de température de précision élevée sur une plage de températures étendue (entre -40 C et 120 C). L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma de circuit montrant un mode de 15 réalisation du détecteur de pression à semiconducteurs selon la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective d'un substrat de silicium sur lequel est formé le circuit pont montré à la figure 1; la figure 3 est un diagramme de caractéristique montrant la 20 relation entre la concentration des impuretés de surface et le coefficient de température de la sensibilité des résistances diffusées formées sur le substrat de silicium, dans lequel le coefficient de température de la sensibilité est obtenu en convertissant le coefficient de sensibilité entre -40 C et 125"C en le coefficient de 25 sensibilité pour 100 C; la figure 4 est un schéma de caractéristique montrant la relation entre la température et le coefficient de variation de la sensibilité de résistances diffusées formées selon une concentration des impuretés prédéterminée constituant en combinaison un pont sensible à la pression 30 du détecteur de pression à semiconducteurs selon la présente invention; la figure 5 est un diagramme de caractéristique montrant la relation entre la température et le coefficient de variation de la sensibilité de résistances diffusées formées selon une concentration des impuretés qui est différente de celle des résistances diffusées du 35 cas de la figure 4; la figure 6 est un diagramme montrant la caractéristique température-résistance du thermistor constituant le circuit à courant constant montré à la figure 1; la figure 7 est un diagramme de caractéristique montrant la relation entre la température et le coefficient de variation de température de sensibilité pour expliquer la compensation de la sortie du détecteur de pression à semiconducteurs selon la présente invention; et la figure 8 est un diagramme montrant le coefficient de variation de la sensibilité de la sortie du pont dans le cas o la constante B du 10 thermistor est modifiée de façon variable. En se référant d'abord à la figure 1, quatre jauges de contrainte à semiconducteurs 1 (RG1 à RG4) qui sont formées sur un substrat élastique défini par un unique cristal de silicium de type N constituent en combinaison un pont Wheatstone 2. Un circuit à courant 15 constant 5 est relié aux bornes C et F du circuit pont 2 pour envoyer un courant constant au pont 2. Le circuit à courant - constant 2 comprend un amplificateur opérationnel 6 qui est relié par sa borne de sortie à la borne F du circuit pont 2. La borne C du circuit pont 2 est reliée à la terre 20 (GND) par l'intermédiaire d'une résistance fixe RI2 et est également relié à la borne d'entrée négative (-) de l'amplificateur opérationnel 6. A une source de tension constante ER sont reliés un circuit de compensation de température de sensibilité 4 et une résistance fixe RI1 en série, et le point nodal B situé entre eux est relié à la borne 25 d'entrée positive (+ ) de l'amplificateur opérationnel 6. Le circuit-de compensation de température de sensibilité 4 consiste en un thermistor 3, une résistance fixe RS1 reliée à ce dernier en parallèle, une résistance fixe RS2 reliée en série à la résistance RSl, et une résistance fixe RS3 reliée en parallèle aux résistances RSl, RS2. Le 30 point nodal A est relié à la source de puissance ER. Les bornes D et E du pont 2 sont reliées aux bornes d'entrée positive (+) et négative (-) d'un second amplificateur opérationnel 8 par l'intermédiaire de résistances fixes R2 et R1 respectivement. La borne d'entrée positive (+) de l'amplificateur opérationnel 8 est Z602335 - 5 reliée à la borne de mise à la terre (GND) par l'intermédiaire d'une résistance fixe R4. La borne de sortie E0 de l'amplificateur opérationnel 8 est reliée à la borne d'entrée négative (-) de l'amplificateur opézationnel 8 par l'intermédiaire d'une résistance à 5 contre-réaction R3, constituant ainsi un amplificateur différentiel 7. La figure 2 montre un exemple d'un substrat de silicium 20 sur lequel est formé le circuit pont 2 décrit ci-dessus. Des résistances diffusées 1 de type P (RG1, RG2, RG3 et RG4) sont formées sur une partie formant diaphragme 21 du substrat de silicium 20 comme décrit 10 ci-dessus, et selon la présente invention ces résistances diffusées de type P sont définies par des résistances diffusées présentant une concentration des impuretés de surface comprise entre 2,3 x 1018 et 2,5 x 1018 atomes/cm3. Un évidement 22 est formé dans le fond du substrat de silicium 20 de manière que par exemple une dépression régnant dans 15 le moteur soit introduite dans l'évidement 22 pour détecter le niveau de la pression. Ainsi que cela est généralement connu, quand une résistance est formée sur un substrat de silicium de type N en produisant dans celui-ci une couche d'impuretés diffusée de type P, le coefficient de 20 variation de température de la sensibilité est modifié en fonction de la concentration des impuretés de surface. La figure 3 montre la relation entre la caractéristique de sortie du pont et la concentration des impuretés de surface dans le cas o le pont est formé en utilisant de telles résistances à diffusion d'impuretés de type P. Comme il 25 ressort clairement de la courbe de la caractéristique de la figure 3, quand la concentration des impuretés de surface est au voisinage de 2,0 x 1018 atomes/cm3 et au voisinage de 2 x 1020 atomes/cm3, le coefficient de température de la sensibilité du pont est sensiblement nul (0). Ainsi, on comprendra qu'il soit préférable d'utiliser des 30 résistances diffusées présentant une concentration des impuretés qui est celle mentionnée ci-dessus. Cependant, dans la présente invention, le circuit pont est constitué par des résistances à diffusion d'impuretés présentant une concentration des impuretés qui est particulièrement spécifiée comme 35 étant comprise entre 2,3 x 1018 et 2,5 x 1018 atomes/cm3. La raison en -6 est, comme montré à la figure 3, que le coefficient de variation de la sensibilité de la sortie du pont qui est formé en utilisant des résistances diffusées présentant la concentration des impuretés décrite ci-dessus présente une caractéristique positive dans la région des températures basses (-40 C à 20 C) dans la plage des températures de travail des détecteurs de pression, et dans la plage des températures élevées (20 C à 120'C), le coefficient de variation de la sensibilité de sortie présente une caractéristique constante, ceci signifiant que le coefficient de variation est compris entre 2% et sensiblement 0%. 10 Plus spécifiquement, selon la présente invention, on utilise un pont présentant le coefficient de variation de température décrit ci-dessus, et sa caractéristique positive dans la région des températures basses est compensée au moyen du thermistor 3 (décrit plus en détail plus loin), obtenant ainsi un détecteur de pression à semiconducteurs 15 présentant un coefficient de variation de la sensibilité de sensiblement 0% dans une plage de températures allant de -40 C à 120 C. En outre, en fixant la concentration des impuretés à une valeur relativement basse et telle que celle décrite ci-dessus, il est possible de réduire la durée de travail nécessaire pour implanter des 20 ions dans les jauges de contrainte à semiconducteurs 1, ce qui fait que le détecteur de pression à semiconducteurs selon la présente invention est économique et avantageux du point de vue de sa fabrication. Si la concentration des impuretés- dépasse la plage de concentration décrite ci-dessus et est fixée par exemple à 2 x 1018 25 atomes/cmS, le coefficient de variation de la sensibilité présente une caractéristique positive aussi bien dans la région des températures basses que dans celle des températures élevées comme montré à la figure , et il en résulte qu'il est difficile de réaliser facilement la compensation de température de la sensibilité de la sortie du pont au 30 moyen d'un thermistor ou analogue. Le thermistor 3 qui constitue le circuit de compensation de température de la sensibilité 4 est défini par un thermistor qui présente une constante B allant de 1400 à 2400K. La caractéristique température- résistance du thermistor 3 est montrée à la figure 6. Comme 35 il ressort de la figure, la caractéristique du thermistor 3 est -7 similaire à la caractéristique de coefficient de variation de sensibilité du circuit pont à résistances diffusées montré à la figure 4. Plus spécifiquement, le thermistor 3 présente un coefficient de température de résistance négatif et une valeur de résistance sensiblement constante dans la région des températures élevées. Ce qui suit constitue une description détaillée du fonctionnement du détecteur de pression à semiconducteurs présentant la disposition décrite ci-dessus. En se référant à la figure 1, le circuit à courant constant 5 10 envoie un courant qui excite le circuit pont 2 par l'intermédiaire de la borne de sortie de l'amplificateur opérationnel 6, et ce courant d'excitation est déterminé par la tension au point nodal B qui, de son c6té, est déterminée par le rapport entre résistances du circuit de compensation de température de sensibilité 4 et de la résistance fixe 15 RI1. Par ailleurs, le courant qui circule dans le circuit pont 2 passe par la résistance fixe RI2 et provoque une baisse de tension, et cette tension abaissée est appliquée à la borne d'entrée négative (-) de l'amplificateur opérationnel 6, obtenant ainsi un courant d'excitation constant. Dans la région des températures basses, la baisse de tension 20 dans le circuit de compensation de température de sensibilité 4 est augmentée par le fonctionnement du thermistor 3, ce qui fait que le courant appliqué au circuit pont 2 est diminué. Le fonctionnement du détecteur de pression à semiconducteurs selon la présente invention va être décrit plus en détail en référence à la 25 figure 7. Le courant d'excitation qui est appliqué au circuit pont 2 à partir du circuit à courant constant 5 présente un coefficient de variation négatif dans la région des températures basses, comme montré par la courbe A sur la figure. Par ailleurs, les résistances diffusées qui constituent en combinaison le circuit pont 2 ont un coefficient de 30 variation de sensibilité positif dans la région des températures basses, comme cela a été déjà décrit, et il en résulte que la sortie du pont se modifie comme montré par la courbe B. Ces caractéristiques de sortie A et B s'annulent mutuellement et l'on obtient une caractéristique de sortie dont le coefficient de variation est sensiblement nul sur une plage étendue de températures allant de -40 C - 8 à 120PC, comme montré par la courbe C de la figure. On notera que la courbe B de la figure montre la caractéristique de sortie qui est mesurée quand le courant d'excitation est fixé à 1 mA. La figure 8 montre la caractéristique du coefficient de variation de sensibilité de la sortie du pont dans le cas o la constante B du thermistor 3 dans le circuit à courant constant 5 est modifiée de façon variable. Comme on le comprendra à l'examen de la figure, quand la constante B du thermistor 3 est comprise dans la plage allant de 1400K à 2400K, le coefficient de variation de la sensibilité de la sortie du pont peut être supprimée dans les limites de + 0,3% dans la plage de 10 températures allant de -40 C à 120 C. Comme il ressort clairement de la description qui précède, il est possible selon la présente invention d'obtenir un détecteur de pression à semiconducteurs présentant une excellente caractéristique de sortie qui permet de supprimer le coefficient de température de sensibilité 15 dans les limites de + 0,3% sur une place de températures étendue allant de -40 C à 120 C. - 9 REVENDICATIONS 1. Détecteur de pression à semiconducteurs, comprenant un substrat élastique (20) formé par un unique cristal de silicium, dont la tension de surface se modifie en fonction de la pression qui lui est appliquée, 5 une jauge de contrainte (1) définie par une couche diffusée de type P formée sur la surface dudit substrat, un circuit pont (2) comprenant ladite jauge de contrainte, un circuit à courant constant (5) pour appliquer un courant d'excitation audit circuit pont, et un circuit amplificateur (7) pour amplifier la sortie du pont à partir des bornes 10 de sortie (D et E) dudit circuit pont pour former un signal de sortie, caractérisé en ce que ledit circuit pont (2) est constitué par des jauges de contrainte (RG1, RG2, RG3 et RG4) définies respectivement par des couches diffusées formant résistances, présentant une concentration des impuretés de surface qui est fixée de manière à être comprise dans 15 la plage allant de 2,3 x I018 à 2,5 x 1018 atomes/cm3; et en ce que un thermistor (3) est compris dans ledit circuit à courant constant, ledit thermistor présentant une caractéristique température-résistance sensiblement similaire au coefficient de variation de température desdites couches diffusées formant résistances, ces caractéristiques étant telles qu'elles s'annulent mutuellement, ayant ainsi un effet sur la compensation de la température de la sensibilité. 2. Détecteur de pression à semiconducteurs selon la revendication 1, dans lequel la constante B dudit thermistor est choisie de manière 25 à ître située dans la plage allant de 1400K à 2400K.