SEMICONDUCTOR SENSOR

Abstract: 1. A semiconductor sensor comprising a plurality of MIS-transistors, where a predetermined part of its surface represents a pressure-sensitive zone and at least one MIS-transistor in this zone serves to convert a pressure into an electrical signal, characterised in that in the pressure-sensitive zone a plurality of MIS-transistors are arranged connected in pairs to form inverters and an odd number of these inverters form a ring oscillator which converts the pressure magnitude into a corresponding frequency signal.

Description: Halbleiter-Sensor. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter Sensor, welcher den auf einen Teil seiner Oberfläche (Membranbereich) wirkenden. Druck in eine Frequenz umwan- delt. Sensoren mit Frequenzausgang werden in der modernen Messtechnik in zunehmendem Masse eingesetzt, da der Messwert als Frequenz einfach übertragen und leicht digitalisiert werden kann. Es ist bekannt, bei Halbleiter-Sensoren, welche den auf einen Teil ihrer Oberfläche (Membranbereich) wirkenden Druck in eine Frequenz umwandeln, im Membranbere'cn Widerstände bzw. Widerstandsbrücken als frequenzbestim- melde Elemente auszubilden. Die Druckabhängigkeit der "bulk"-Ladungsträgerbeweglichkeit bei Widerständen ("piezoresistiver Effekt") kann dazu dienen, z.B. die Frequenz eines Oszillators in Abhängigkeit vom Druck zu verändern ("Solid-State Digital Pressure Transducer, von E.R. Peake et al, lEEE Transactons on Electron Devices, Oct.1969; US-PS 3 345 582 ; Vortrag von Herrn Obermaier, Fraunhofer-Gesellschaft, auf der NT0-Diskus- sionssitzung "Sensoren und Leistungsstellglieder als Peripherie für Mikroprozessoren" vom 10.-12.10.1979 in Dinkelsbühl über einen Drucksensor). Diese bekannten Halbleiter-Sensoren erfordern elektronische Schaltungen, die entweder in hybrider Technik ausgeführt erae müssen oder deren Ausführung in integrierter Technik auf dem Halbleiter-Chip aufwendig; ist Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Sensor anzugeben, welcher den auf einen Teil seiner Oberfläche wirkenden Druck in eine Frequenz umwan delt, bei dem solche Bauelemente Verwendung finden, die sehr einfache Schaltungen und eine hohe Druckempfindlich keit ermöglichen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Membranbereich eines solchen Halbleiter-Sensors eine Schaltung mit MIS-Transistoren als frequenzbestimmenden Elementen ausgebildet ist. In einer Ausbildung der Erfindung ist die druckabhängige Schaltgeschwindigkeit bei einer Anzahl von im Membranbereich ausgebildeten IES-Tra.nsistorer die frequenzbestimmende Eigenschaft der in dieser Anzahl enthaltenen MIS-Transistoren. In einer speziellen Ausbildung der Erfindung ist die druckabhängige Schaltgescb:indigkeit von im Membranbe- reich ausgebildeten MIS-Transistoren die frequenzbesti- mende Eigenschaft dieser MIS-Transistoren, wobei M-S- Transistoren paarweise zu Invertern und eine ungerade Anzahl von diesen Invertern in Serie zu einem Ringosz'1.- lator geschaltet sind. Durch Ausnutzen anisotroper Piezokoeffizienten im içTem- branbereich werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung Ringoszillatoren nach Anspruch 3 im Membranbe- reich so angeordnet, dass die jeweiligen druckabhängigen Frequenzänderungen unterschiedliches Vorzeichen aufweI- sen. Um z.3. die Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerbe wegliceit zu korrigieren, wird in einer weiteren Aus- bildung der Erfindung ausserhalb des druckempfindlichen Membranbereichs ein weiterer Ringoszillator entsprechend Anspruch 3 angeordnet, dessen Ausgangsfrequenz als Re ferenzgrösse für die Auswertung der druckabhängigen Frequenzen verwendet wird. Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass der Halbleiter-Sensor in integrierter Technik ausgeführt wird. Um für Telemetrie-Zwecke z.B. die Frequenzen durch geeignete Vervielfacher-Schaltungen in höhere Frequenzbereiche zu transformieren oder um die Frequenzen mit Hilfe von Frequenzteilern, die z.B. mit Digitalzählern realisiert werden, in niedrigere Bereiche umzusetzen, sind in einer weiteren Ausbildung der Erfindung auf der Oberfläche des Halbleiter-Sensors Schaltungen in integrierter Technik vorhanden, die die Frequenz(en) des bzw. der Ringoszillators(en) in einen vom Anwender gewünschten Bereich umsetzen. Niedrige Ausgangsfrequenzen werden bei längeren ren tragungsstrecken bevorzugt. Um die Auswirkungen von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gering zu halten, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Halbleiter Sensor ein in SiliziumGateTe:chnik ausgefuhrter Sili zium-Sensor. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, dass MIS-Transistoren auf kleinstem Raum ausgebildet werden können, dass wegen der Vielzahl der Verwendungsmöglichkeiten von MIS-Transistoren sehr einfache Schaltungen ausgeführt werden können, dass bei Anwendung einer integrierten Technik die Ausführung dieser Schalt sehr einfache geometrische Strukturen zulässt und dass bei entsDrechender Wahl der Kristallorientierung, der Anordnung der frequenzbestimmenden MIS-Transistoren im Membranbereich und der von der Ausgestaltung dieser MIS-Transistoren abhängigen Oberflächen-Energieband struktur eine hohe Druckempfindlichkeit des Halbleiter Sensors erreicht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Fig.1 zeigt die Schaltung eines PELS-Inverters, Fig.2 zeigt die Schaltung eines Ringoszillators mit drei PELS-Invertern, Fig.3 zeigt die geometrische Struktur einer Serien schaltung von PELS-Invertern im Membranbereich eines Halbleiter-Sensors in der Draufsicht, Fig.4 zeigt die Schaltung eines Inverters mit komple- mentären MIS-Transistoren (sog. "CMOS-Irverter"). Einzelheiten über MIS-Transistoren und über bei MIS Transistoren anwendbare Techniken können dem Buch "MOS/ LSI-Design and Application' von W.N. Carr und J.P. Hize, MoGraw-Hill ook Comp., ew York, 1972, entnommen wer- den. Grundsätzlich sind p- und n-anal-M.IS-Transisto- ren und Kombinationen daraus ("CMOS") verwendbar. Das folgende Beispiel dient zur Erläuterung; es arbeitet mit p-Kanal-Elementen, da die Druckabhängigkeit der p Ladungsträgerbeweglichkeit i. a. besonders gross ist. Fig. 1 zeigt die Schaltung eines PELS-Inverters (PELS= p-channel enhancement-type bad, saturation region of operation). Der PELS-Inverter weist einen Schalttran- sistor 1 und einen Lasttransistor 2 auf. Drain und Gate des Lasttransistors 2 sind an dieselbe Versorgungsspannung VDD angeschlossen. Source des Schalttransistors 1 ist geerdet. Das Eingangspotential Vi des Inverters liegt am Gate des Schalttransistors 1, das Ausgangspotential Vo des Inverters wird an der Verbindung zwischen Drain des Schalttransistors 1 und Source des Lasttransistors 2 abgenommen. Bei einem PELS-Inverter sind beide Transistoren 1, 2 p-Eanal-Anreicherungs-MIS- Transistoren. Der Lasttransistor 2 dient als Lastwiderstand. Ein SES- Transistor benötigt wenig Platz: Sin MIS-Lasttransistor von 100 k Ohm nimmt eine Fläche von ungefähr 0,.0006 ¯¯¯2 ein. Der Lasttransistor 2 wird im Sättigungsbereich betrieben, was die Verwendung nur einer Versorgungsspan- nung VDD ermöglicht. Liegt die Eingangsspannung 7. des Inverters unterhalb der Schwellenspannung des Schalttransistors, so entspricht die Ausgangsspannung Vo des Inverters ihrer Grösse nach in etwa der Versorgungsspan nung VDD. Liegt die Eingangsspannung V. oberhalb dieser Schwellenspannung, so erreicht die Ausgangsspannung Vo ihrer Grösse nach in etwa dem dert Null. Fig.2 zeigt die Schaltung eines Ringoszillators mit drei PELS-Invertern. Drei PELS-Inverterstufen sind in Serie geschaltet; die Ausgangsspannung einer jeden Stufe dient als Eingangsspannung für die folgende Stufe. Die Schalttransistoren der drei Inverterstufen sind mit 11, 21, 31, die zugehörigen Lasttransistoren mit 12, 22, 32 bezeichnet. Um eine Serienschaltung von Invertern als Ringoszillator betreiben zu können, ist eine ungerade Anzahl von Invertern notwendig. Am Anschluss c an der Rückkopplungsleitung 5 des Ringoszillators kann die Oszillatorfrequenz als ein Mass für den auf den Membranbereich wirkenden Druck abgegriffen werden. Die Frequenz fOsz des Ringoszillators kann man ungefähr angeben: EMI6.1 mit n ... ungerade Anzahl von Invertern tpLH Laufzeit eines Inverters vom Zustand L ("low") zum Zustand H ("high") tpHL - Laufzeit eines Inverters vom Zustand H zum Zustand L. Die Frequenz fOsz ist eine Funktion der Inverterschaltgeschwindigkeiten. Die Frequenz fOsz befindet sich ungefähr im MHz-Bereich. Der effektive Lastwiderstand eines PELS-Inverters ist relativ gross, weil der Lasttransistor im Sättigungsbereich betrieben wird. Dieser Effekt verkleinert von vornherein die Frequenz fOsz im Vergleich zum Beispiel zu einem PELT-Inverter (PELT = p-channel enhancementtype load, triode region of operation). Die Schaltgeschwindigkeiten eines PELS-Inverters werden insbesondere dadurch druckabhängig, dass die Schaltgeschwindigkeit eines Schalttransistors ungefähr proportional zur Oberflächen-Ladungsträgerbeweglichkeit ist, die wiederum vom Druck beeinflusst wird. Dazu kommt noch die Druckabhängigkeit der Oberflächen-Ladungsträgerbe- weglichkeit beim Lasttransistor. Fig.3 zeigt die geometrische StîuXtur einer Serlenschal- tung von PELS-Invertern im Membranbereich einesa Halb leiter-Sensors in der Draufsicht. Als Substrat wird n-dotiertes Halbleitermaterial verwendet, in dem p-dotierte Gebiete (schraffiert gekennzeichnet) durch eine der üblichen Techniken ausgebildet sind. Mit 3 wird das geerdete p-Gebiet bezeichnet, in dem sich die jeweiligen Sources der Schalttransistoren befinden. Mit 4 wird das auf dem Potential VDD liegende p-Gebiet bezeichnet, in dem sich die jeweiligen Drains der Lasttransistoren befinden. In den Kontaktbereichen 13, 23, 33 sind die Gates 15, 25, 35 der Lasttransistoren lei tend-mit dem p-Gebiet 4 verbunden. Bei den einzelnen Inverterslulen sind Drain des Schalttransistors und Source des Lasttransistors zu gemeinsamenp-Gebieten 16, 26, 36 zusammengefasst. Die Isolierung der Gate Bereiche 15, 17, 25, 27, 35, 37 erfolgt über die-Gate Oxidschichten 18, 19, 2g958, 39, die in der Zeichnung gestrichelt umrandet sind. Von dem jeweiligen Kontakt- bereich 14, 24, 34 der einzelnen Inverter ausgehend gibt es eine elektrische Verbindung zu dem jeweiligen Gate 17, 27, 37 des Schalttransistors der folgenden Inverterstufe. Der Halbleiter-Sensor wird in diesem Beispiel in der Draufsicht nach zwei Selten hin der Einfachheit halber von den Geraden 7, 8 begrenzt. Als Begrenzung des Halbleiter-Sensors in der Draufsicht sind auch andere geometrische Strukturen möglich, z.B. Ereis- ringe oder Segmente davon. Tyre der Halbleiter-Sensor nach den beiden anderen Seiten hin nicht abgebrochen geseichnet, so würde zu erkennen sein, dass die Leitung 40 von der letzten Inverterstufe des Halbleiter-Sensors her kommt und dass-die Leitung 50 zur nächstfolgenden Inverterstufe des Halbleiter-Sensors führt. Die Richtung der Druckempfindlicet 60 der Inverter ist in der Zeichnung angegeben. Sie ist auf den Iennbran- Bereich des Halbleiter-Sensors abzustimmen. 6 In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann man bei- spielsweise CMCS-Inverter verwenden. Fig.4 zeigt die Schaltung eines CMOS-Intervers. Dieser CMOS-Inverter besteht aus einem n-Kanal-Schalttransi- stor 71 und einem p-EanaiLasttransistor 72. Liegt die Eingangsspannung Vi des Inverters unterhalb der Schwellenspannung des Schalttransistors, so entspricht die Ausgangsspannung Vo des Inverters ihrer Grösse nach in etwa der Versorgungsspannung VDD. Liegt die Eingangsspannung Vi oberhalb dieser Schwellenspannung, so erreicht die Ausgangsspannung Wo ihrer Grösse nach in etwa den Wert Null. Der Vorteil dieses Inverter-Typs liegt darin, dass die Ausgangskennlinie nicht vom Flächenverhältnis von Schaltzu Lasttransistor abhängt. Mit CMOS-Invertern können daher nicht nur digitale, sondern auch analoge Schaltungen aufgebaut werden. Aus CMOS-Invertern können Ringoszillatoren gebildet werden, die den auf den Membranbereich des Halbleiter-Sensors wirkenden Druck in eine Frequenz umwandeln. Die Schaltung von CMOS-Invertern in Ringoszillatoren ist z.3. im Buch "Mc MOS Handbook" der Motorola Inc., Semiconductor Products Division, 1973, Kapitel 8, nAnalog Basic Circuits", beschrieben. Die Erfindung lässt sich bei Halbleiter-Sensoren, welche den auf einen bestimmten Teil Ihrer Oberfläche wirkenden Druck in eine Frequenz umwandeln, auch so benutzen, dass im Membranbereich dieser Halbleiter-Sensoren ausgebildete MIS-Transistoren als frequenzbestimmende Widerstände in bekannten Oszillatorschaltungen Verwendung finden, wobei einfache Schaltungen und hohe Druckempfindlichkeit erzielt werden. 8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentanspruche 1. Halbleiter-Sensor, welcher den auf einen bestimmten Teil seiner Oberfläche (Membranbereich) wirkenden Druck in eine Frequenz umwandelt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im Membranbereich eine Schaltung mit MIS-Transistoren als frequenzbestimmenden Elementen ausgebildet ist. 2. Halbleiter-Sensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die druckabhängige Schalt geschwindigkeit bei einer Anzahl von im Membranbereich ausgebildeten MIS-Transistoren die frequenzbestimmende Eigenschaft der in dieser Anzahl enthaltenen MIS-Transistoren ist. 3. Halbleiter-Sensor nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass MIS-Transistoren paarweise zu Invertern und dass eine ungerade Anzahl von diesen Invertern in Serie zu einem Ringoszillator ge schaltet sind. 4. Halbleiter-Sensor nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass mehrere Ringoszillatoren nach Anspruch 3 im Membranbereich so angeordnet sind, dass die jeweiligen druckabhängigen Frequenzänderungen unterschiedliches Vorzeichen aufweisen. 5. Halbleiter-Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass ausser .halb des druckempfindlichen Membranbereichs ein weiterer Ringoszillator entsprechend Anspruch 3 angeordnet ist, dessen Ausgangsfrequenz als Referenzgrösse für die Aus wertung der druckabhängigen Frequenzen verwendet wird. 6. Halbleiter-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n s e i c h n e t , dass die zugehörige Schaltung in integrierter Technik ausgeführt ist. 7. Halbleiter-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass auf der Oberfläche des Halbleiter-Sensors Schaltungen in integrierter Technik vorhanden sind, die die Frequenz(en) des bzw. der Ringossillators(en) in einem vom Anwender gewünschten Bereich Umsetzen. 8. Halbleiter-Sensor nach einem ader einer Kombination von vorhergehenden Ansprüchen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass er ein Silizium-Sensor ist und dass er in Silizium-Gate-Technik ausgeführt ist.

Inventors: BREIMESSER, FRITZ, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1981
Main classification: H01L27
IPC codes: G01L9, H01L27, H01L29